Frottement

Le frottement ${\displaystyle {\vec {F}}}$ s'oppose au mouvement relatif entre les deux corps.

Le frottement sec est indépendant de la vitesse de glissement. Il se décompose en deux situations issues de la loi de Coulomb.

Le frottement statique est une force (ou un couple) qui tend à garder un corps en état statique.

Lorsqu'une force est appliquée sur un objet reposant sur une surface (considérée comme immobile), la composante parallèle à la surface de cette force est compensée par une force de frottement statique opposée, qui maintient l'objet immobile pour autant que la composante parallèle de la force appliquée ne dépasse pas une valeur maximale[4]. L'observation expérimentale montre que, en première approximation, cette valeur maximale ne dépend que du poids apparent du corps et d'un coefficient de frottement statique, mais pas de l'aire de contact. Le coefficient de frottement statique, lui, dépend de la nature des surfaces en contact.

Mathématiquement, le frottement statique ${\displaystyle {\vec {f_{s}}}}$ est opposé à la composante tangentielle ${\displaystyle {\vec {f}}_{\text{tangentielle}}}$ de la force appliquée, et son intensité est inférieure ou égale au coefficient de frottement statique ${\displaystyle \mu _{s}}$ multiplié par le poids apparent ${\displaystyle N}$ :

${\displaystyle {\vec {f_{s}}}=-{\vec {f}}_{\text{tangentielle}}}$

Dès que la force tangentielle dépasse la valeur maximale du frottement statique, l'objet se met à glisser, entraîné par la force appliquée.  

${\displaystyle \left\vert f_{s}\right\vert \leq \mu _{s}N}$

Le même raisonnement peut se transposer dans le cas de couple de frottement.

Lorsqu'un objet glisse sur une surface, la force de frottement est appelée frottement cinétique. Ce frottement tend à ralentir l'objet. L'observation expérimentale montre que, en première approximation, l'intensité du frottement cinétique varie en fonction du poids apparent de l'objet et du coefficient de frottement cinétique, mais pas de l'aire de contact ni de la vitesse. Le coefficient de frottement cinétique, tout comme le coefficient de frottement statique, varie selon le type de matériaux en contact.

Mathématiquement, le frottement cinétique ${\displaystyle {\vec {f}}_{c}}$ n'est plus nécessairement opposé à la composante tangentielle de la force appliquée (qui peut d'ailleurs devenir nulle), mais est opposé à la vitesse de l'objet, et son intensité est égale au coefficient de frottement cinétique ${\displaystyle \mu _{c}}$ multiplié par le poids apparent ${\displaystyle N}$[4].

${\displaystyle {\vec {f_{c}}}{\text{ colinéaire à }}-{\vec {v}}}$

${\displaystyle \left\vert f_{c}\right\vert =\mu _{c}N}$

Le même raisonnement peut se transposer dans le cas de couple de frottement.

Courbe de Stribeck.

Un frottement visqueux est une force (ou un couple) de frottement qui dépend de la vitesse relative des deux corps en mouvement. Il s'exprime différemment selon qu'il s'agisse du contact entre deux solides lubrifiés ou du déplacement d'un corps dans un milieu fluide.

Étant données deux surfaces séparées par un liquide visqueux, le frottement suit une loi de Stribeck (image ci-contre).

En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz. Cette traînée se décompose en traînée de pression et traînée de friction (ou de frottement). Cette dernière est bien due à la friction des particules du fluides sur la surface du corps, même si, strictement parlant, la couche de fluide qui touche le corps n'est pas en mouvement par rapport à la surface du corps (on dit qu'elle le mouille)[5]. Si la couche de fluide qui est en contact direct avec le corps est immobile par rapport à celui-ci, elle tend par contre à être entraînée par la deuxième couche du fluide qui glisse sur elle (avec un frottement visqueux) : C'est cette force de frottement visqueux que la première couche va transmettre au corps.

En mécanique des fluides, l'étude du frottement visqueux est au coeur des recherches sur la couche limite, celle-ci régentant la traînée visqueuse. Par exemple, sur un Airbus, 45 % de la traînée aérodynamique vient de la friction de l’air sur les différentes surfaces de l’avion[6].

Bien que la traînée de friction soit localement un phénomène linéaire, elle se ramène, pour les ingénieurs, à un coefficient de friction établi en référence à la pression dynamique qui est proportionnelle au carré de la vitesse, ceci avec cependant une forte dépendance au Nombre de Reynolds qui préside au phénomène. On définit le Coefficient de friction comme suit :

${\displaystyle C_{f}={\frac {T_{f}}{{\frac {1}{2}}\rho v^{2}}}}$

définition où :

• ${\displaystyle C_{f}}$ est le Coefficient de friction
• ${\displaystyle {\rho }}$ est la masse volumique du fluide
• ${\displaystyle {v}}$ est la vitesse de l'écoulement
• ${\displaystyle {T_{f}}}$ est la partie de la traînée due à la friction
• ${\displaystyle {{\frac {1}{2}}\rho v^{2}}}$ est la pression dynamique de l'écoulement

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