Coefficients de frottement statique de matériaux

Dans cette expérience on compare entre eux les coefficients de frottement statique de différents objets sur un support en bois ou en polyéthylène.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une planche de bois ou de polyéthylène (approximativement 30 cm × 40 cm) ;

  • divers objets de masses comparables, par exemple une boîte d’allumettes, un glaçon, une gomme, un morceau de bois, un morceau de métal… ;

Montage et réalisation

Prendre différents solides ayant sensiblement le même poids : un cube de bois, une boîte d’allumettes, un morceau de fer et un glaçon….etc

On pose ces quatre objets sur une plaque de bois ou, comme ici, de plastique.

Si on soulève lentement la plaque, dans quel ordre les objets vont-ils se mettre à glisser ?

Le premier est bien sûr le glaçon. Puis viennent le cube de bois, la boîte d’allumettes et enfin le morceau de fer.

Le coefficient de frottement statique entre ces objets et la planche est donc différent.

Voici maintenant deux boîtes identiques, de même dimension mais de poids différent : l’une contient des allumettes, l’autre des vis de métal.

Recommençons l’expérience : contre toute attente, ce n’est pas la boîte la plus lourde qui glisse la première ; elles glissent et arrivent en bas de la planche en même temps.

Le coefficient de frottement ne dépend donc pas du poids de l’objet, mais seulement de sa nature et de celle du support.

 

Explications

Le frottement de glissement est un frottement de type coulombien. L’objet étudié est posé directement (sans lubrification) sur le support sec incliné d’un angle φ par rapport à l’horizontale. Cet objet subit son poids et la réaction du support. La réaction du plan incliné sur l’objet a pour composantes

(perpendiculaire au plan) et

(parallèle au plan) qui est la force de frottement.
Lorsque le solide est en équilibre on a :
donc

et

Lorsque l’angle φ devient égal à φ0, le solide se met à glisser. On a alors :

μ est le coefficient de frottement statique. Il dépend de la nature de l’objet qui glisse et de celle du support.

Le solide reste en équilibre sur le plan incliné tant que l’inclinaison φ du plan par rapport à l’horizontale est inférieure à
,
au-delà le solide se met à glisser, indépendamment de sa masse.

Les 3 boîtes d’allumettes collées ensemble ont une masse supérieure à une seule boîte d’allumettes mais elles commencent à glisser au même moment puisque le coefficient de frottement statique dépend de la nature des surfaces mais pas de la masse de l’objet qui glisse.

L’objet qui commence à glisser en premier dans cette expérience est celui pour lequel le coefficient de frottement statique est le plus faible.

 

Remarques

C’est quand le sol est verglacé qu’on comprend combien les frottements sont nécessaires pour pouvoir marcher ou pour faire avancer une voiture. Les matériaux qui frottent s’usent : on estime à 1 million de tonnes l’acier réduit en poussière dans le monde par les trains, principalement lors du freinage. Les voitures usent aussi leurs pneus sur les routes et les piétons usent leurs semelles.

 

Références

Université Lyon1 : valeurs de coefficients de frottements

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