Comment augmenter les frottements entre deux surfaces

Vous vous êtes déjà demandé(e) pourquoi vos mains devenaient chaudes lorsque vous les frottez rapidement l'une contre l'autre ou pourquoi le fait de frotter deux morceaux de bois l'un contre l'autre pouvait finir par provoquer un feu ? La réponse est dans le frottement ! Lorsque deux surfaces sont frottées l'une contre l'autre, elles résistent mutuellement et naturellement au mouvement de l'une contre l'autre, et ce au niveau microscopique. Cette résistance peut provoquer la libération d'énergie sous forme de chaleur, réchauffant vos mains, provoquant un feu et ainsi de suite ^{[1]
X
Source de recherche}. Plus la friction est importante, plus la quantité d'énergie libérée sera importante, c'est pourquoi savoir comment augmenter le frottement entre deux parties en mouvement au sein d'un système mécanique peut potentiellement vous permettre de générer une grande quantité de chaleur !

Partie 1

Partie 1 sur 2:
Créer une surface plus sensible aux frottements

1
Créez une surface plus « rugueuse » ou un point de contact plus collant. Quand deux matériaux glissent ou frottent l'un contre l'autre, trois choses peuvent se produire : des petits renfoncements, des fissures et des irrégularités sur leurs surfaces peuvent provoquer des accrochages, une ou les deux surfaces peuvent se déformer en réponse au mouvement et enfin, les atomes de chaque surface peuvent interagir les uns avec les autres ^{[2]
X
Source de recherche}. En pratique, ces trois effets ont la même résultante : ils génèrent des frottements (ou frictions). En choisissant des surfaces abrasives (comme du papier de verre par exemple) ou des matières qui se déforment sous l'effet d'une presse à emboutir (comme le caoutchouc) ou encore des surfaces ayant des interactions adhésives avec d'autres surfaces (comme la colle forte, etc.), vous pourrez augmenter les frottements de façon directe.
- Les manuels d'ingénierie et œuvres similaires peuvent constituer d'excellentes sources d'information pour choisir quel matériel utiliser pour générer des frottements puissants. La plupart des matériaux de construction standards possèdent des « coefficients de frottement », c'est-à-dire des mesures de la puissance de la friction qu'ils provoquent une fois associés à d'autres surfaces. Vous trouverez ci-dessous le coefficient de frottement pour certains matériaux fréquemment rencontrés.
- Aluminium contre aluminium : 0,34
- Bois contre bois : 0,129
- Béton sec contre caoutchouc : 0,6-0,85
- Béton humide contre caoutchouc : 0,45-0,75
- Glace contre glace : 0,01
2
Pressez plus fort les deux surfaces l'une contre l'autre. Un des principes de base de la physique est que le frottement auquel est soumis un objet est proportionnel à sa force normale (dans notre cas, il s'agit simplement de la force avec laquelle cet objet est appuyé contre la surface contre laquelle il glisse ^{[3]
X
Source de recherche}). Cela signifie que les frottements entre deux surfaces peuvent être augmentés si les surfaces sont pressées plus fortement l'une contre l'autre.
- Si vous avez déjà utilisé un jeu de freins à disque (sur une voiture ou un vélo par exemple), vous avez dû observer ce principe en action. Dans ce cas, le fait d'appuyer sur les freins actionne un couple de patins qui viennent exercer des frottements contre des disques en métal accrochés aux roues. Plus la force exercée sur les freins est élevée, plus les patins vont appuyer fortement sur les disques et plus la quantité de frottements générée sera importante. Cela peut provoquer un arrêt rapide du véhicule, mais cela peut aussi libérer beaucoup de chaleur, ce qui explique pourquoi les freins sont généralement très chauds après un freinage important ^{[4]
  X
  Source de recherche}.
3
Si une surface est en mouvement, arrêtez-la. Jusqu'à présent, nous nous sommes concentrés sur le frottement cinétique, c'est-à-dire le frottement qui se produit entre deux objets ou surfaces lorsqu'elles sont frottées l'une contre l'autre. Dans les faits, ce frottement est différent de ce qu'on appelle le frottement statique, c'est-à-dire le frottement qui se produit lorsque deux objets commencent à se mouvoir l'un contre l'autre. Essentiellement, le frottement entre deux objets est plus grand au moment même où ceux-ci commencent à se mouvoir l'un contre l'autre. Une fois qu'ils sont déjà en mouvement, le frottement diminue. C'est l'une des raisons pour lesquelles il est plus difficile de commencer à pousser un objet lourd que de le maintenir en mouvement ^{[5]
X
Source de recherche}.
- Essayez cette simple expérience : observez la différence entre frottement statique et frottement cinétique : placez une chaise ou un autre meuble sur un sol lisse dans votre maison (pas sur un tapis ou sur de la moquette). Assurez-vous bien que les pieds de votre meuble ne soient pas équipés de « patins glisseurs » de protection ou tout autre type de matériel qui pourrait faciliter le glissement du meuble sur le sol. Essayez de pousser le meuble juste ce qu'il faut pour qu'il commence à bouger. Vous devriez remarquer que dès que le meuble commence à bouger, il devient immédiatement un peu plus facile à pousser. Ceci s'explique par le fait que le frottement cinétique entre le meuble et le sol est inférieur au frottement statique.
4
Éliminez toute trace de lubrifiant entre les deux surfaces. Les lubrifiants comme l'huile, la graisse, la vaseline, etc. peuvent grandement réduire les frottements entre deux objets ou surfaces. Ceci s'explique par le fait que les frottements entre deux solides sont généralement beaucoup plus importants que les frottements entre ces solides et le lubrifiant qui se trouve entre les surfaces de ces solides. Pour augmenter le frottement, essayez d'éliminer toute trace de lubrifiant et n'utilisez que des surfaces « sèches » et non lubrifiées pour générer des frottements.
- Pour tester le potentiel des lubrifiants à réduire les frottements, il vous suffit de tenter la simple expérience suivante : frottez vos mains l'une contre l'autre comme pour les réchauffer lorsqu'elles sont froides. Vous devriez immédiatement remarquer qu'elles chauffent grâce au frottement. Ensuite, passez une quantité suffisante de lait corporel entre les paumes de vos mains et renouvelez l'expérience. Non seulement il devrait être plus facile pour vous de frotter rapidement vos mains l'une contre l'autre, mais en plus vous devriez remarquer que vous produisez beaucoup moins de chaleur.
5
Enlevez les roues ou les coussinets de roulement pour créer des frottements de glissement. Les roues, les coussinets de roulement et autres objets « roulants » sont soumis à un type particulier de frottement appelé « frottement de roulement ». Ce type de frottement est la plupart du temps beaucoup moins important que les frottements générés en faisant simplement glisser un objet sur le sol, c'est pourquoi ces objets tendent à rouler, plutôt qu'à simplement glisser sur le sol. Pour augmenter les frottements dans un système mécanique, essayez d'enlever les roues, les coussinets de roulement, etc., de sorte que les surfaces frottent les une contre les autres au lieu de rouler les une contre les autres.
- Par exemple, réfléchissez à la différence qui existe entre tirer un poids lourd le long du sol dans un charriot et tirer ce même poids lourd sur une luge. Un charriot est muni de roues, c'est pourquoi il sera beaucoup plus facile à tirer qu'une luge qui va frotter contre le sol, générant beaucoup de frottements de glissement en avançant.
6
Augmentez la viscosité des fluides. Les solides ne sont pas les seuls objets qui peuvent subir des frottements. Les fluides (les liquides et les gaz comme l'eau et l'air, respectivement) peuvent aussi générer des frottements. La quantité de frottement que génère un fluide lorsqu'il passe contre un solide dépend de nombreux facteurs. Il est facile de contrôler la viscosité d'un fluide, c'est-à-dire ce que l'on appelle communément son « épaisseur ». En général, les fluides hautement visqueux (ceux qui sont « épais », « gluants », etc.) génèrent plus de frottements que les fluides qui sont moins visqueux (ceux qui sont « fluides », « liquides »).
- Par exemple, réfléchissez à la différence d'effort que vous devriez fournir pour faire passer de l'eau à travers une paille en soufflant, comparé à celui que vous fourniriez pour faire passer du miel à travers une paille. L'eau qui n'est pas très visqueuse est très facile à aspirer et à souffler à travers une paille. Le miel, au contraire, est un peu plus difficile à mouvoir à travers une paille. Ceci s'explique par le fait que la viscosité élevée du miel génère beaucoup de résistance au frottement lorsque ce dernier est poussé à travers un tube étroit comme une paille ^{[6]
  X
  Source de recherche}.
Publicité

Partie 2

Partie 2 sur 2:
Augmenter la résistance du fluide

1
Augmentez la surface exposée à l'air. Comme précisé ci-dessus, les fluides comme l'eau et l'air peuvent générer des frottements à mesure qu'ils se déplacent contre des objets solides. La force de frottement subie par un objet à mesure qu'il se déplace à travers un fluide s'appelle la résistance (on parle alors de « résistance à l'air », « résistance à l'eau », etc.). Une des propriétés de cette résistance est qu'un objet avec une section transversale plus large, c'est-à-dire un objet qui présente un profil plus large face au fluide à mesure qu'il se déplace à travers ce dernier, possède une résistance plus élevée. La surface contre laquelle le fluide pousse est plus importante, ce qui a pour effet d'augmenter les frottements contre l'objet à mesure qu'il se déplace.
- Prenons par exemple un caillou et une feuille et disons qu'ils pèsent tous les deux un gramme. Si nous lâchons ces deux objets en même temps, le caillou tombera tout droit sur le sol, tandis que le papier va dériver jusqu'à atteindre le sol. C'est le principe de la résistance, l'air exerce une pression contre la large surface du papier, produisant de la résistance et expliquant pourquoi le papier passe à travers l'air beaucoup plus lentement que le caillou, qui possède une section transversale moins large.
2
Utilisez une forme avec un coefficient de trainée plus grand. Si la section transversale d'un objet est un bon indicateur général de l'importance de la résistance, les calculs de résistance sont en fait légèrement plus compliqués. Différentes formes interagissent de différentes façons avec les fluides à mesure qu'elles les traversent, cela signifie que certaines formes (par exemple, les surfaces planes), peuvent opposer plus de résistance que d'autres (par exemple, les sphères), fabriquées avec la même quantité de matériel ^{[7]
X
Source de recherche}. Le « coefficient de trainée » est la mesure de l'importance de la résistance relative d'une forme en particulier. Les formes avec beaucoup de résistance sont celles qui possèdent le coefficient de trainée le plus important.
- Pensez par exemple à l'aile d'un avion. Il est dit des ailes d'avion classiques qu'elles ont un profil aérodynamique. Cette forme, qui est régulière, étroite, arrondie et lisse, passe à travers l'air facilement. Son coefficient de trainée est très faible, il est de 0,45. D'un autre côté, imaginez si un avion possédait des ailes pointues, carrées ou en forme de prisme. Ces ailes subiraient beaucoup plus de frottements, car elles ne traverseraient pas l'air sans générer une grande résistance. En fait, les prismes possèdent un coefficient de trainée beaucoup plus important que les profils aérodynamiques, celui-ci est d'environ 1,14 ^{[8]
  X
  Source de recherche}.
3
Utilisez des objets aux contours moins fuselés. Un phénomène lié à la relation existant entre coefficient de trainée et forme de l'objet, les objets dont les contours sont plus épais et plus carrés génèrent généralement plus de résistance que les autres objets. Ces objets sont fabriqués de sorte que leurs bordures soient rugueuses et abruptes et ne s'affinent généralement pas vers l'arrière. D'un autre côté, les objets considérés comme fuselés sont ceux dont les contours sont étroits et dont les bordures sont arrondies et s'affinent vers l'arrière, comme le corps d'un poisson.
- Par exemple, réfléchissez à la façon dont les berlines familiales moyennes sont construites de nos jours comparées à la façon dont elles étaient construites il y a quelques dizaines d'années. Dans le passé, la plupart des voitures étaient plutôt carrées et étaient construites de façon à comporter de nombreuses bordures carrées et abruptes. Aujourd'hui, la plupart des berlines sont beaucoup plus fuselées et incorporent beaucoup de courbes douces. C'est volontaire, grâce à ces contours fuselés, les voitures opposent moins de résistance à l'air, ce qui diminue la quantité de travail que le moteur doit fournir pour faire avancer la voiture (et ce qui permet également de faire des économies d'essence ^{[9]
  X
  Source de recherche}).
4
Utilisez du matériel moins perméable. Certains matériaux sont perméables aux fluides. En d'autres termes, ils présentent des trous à travers lesquels les fluides peuvent passer. Cela réduit effectivement la surface de l'objet sur laquelle le fluide exerce une pression, diminuant ainsi la force de la résistance. Cette propriété est vraie même si les trous sont microscopiques, tant que ces trous sont suffisamment larges pour laisser passer un peu de fluide à travers l'objet, la résistance est réduite. Ceci explique pourquoi les parachutes, qui sont conçus pour créer beaucoup de résistance pour ralentir la chute du parachutiste, sont fabriqués dans de la soie ou du nylon solide et non pas en étamine ou en tissu pour filtre à café.
- Voici un exemple concret de cette propriété : pensez qu'une raquette de pingpong pourrait être balancée plus facilement si l'on y perçait quelques trous. L'air pourrait passer à travers les trous lorsque la raquette est balancée, ce qui réduirait grandement la résistance et ce qui permettrait à la raquette d'être déplacée plus vite.
5
Augmentez la vitesse de l'objet. Enfin, quelle que soit la forme de l'objet ou la perméabilité du matériel, la résistance créée augmentera toujours avec la vitesse de déplacement de l'objet. Plus un objet ira vite, plus il rencontrera de fluide et plus il rencontrera de résistance. Les objets qui se déplacent à très grande vitesse peuvent générer beaucoup de frottements à cause de la résistance, c'est pourquoi ces objets doivent généralement être très fuselés au risque de se décomposer avec la force de la résistance.
- Pensez par exemple au Lockheed SR-71 « Blackbird », un avion-espion prototype construit durant la guerre froide. Le Blackbird, qui pouvait voler à une vitesse supérieure à un Mach 3,2, fait l'objet d'une force de résistance extrêmement élevée à ces vitesses importantes malgré son profil fuselé, cette résistance est tellement extrême qu'en fait le fuselage de métal de l'avion devrait se dilater à la moitié du trajet sous l'effet de la chaleur produite par les frottements de l'air ^{[10]
  X
  Source de recherche}.
Publicité

Conseils

N'oubliez pas que des frottements extrêmement élevés peuvent libérer beaucoup d'énergie sous forme de chaleur ! Par exemple, il ne vaut mieux pas toucher les patins d'un frein de voiture juste après avoir freiné brutalement !
Vous devez garder à l'esprit qu'une résistance élevée peut causer des dommages structurels à un objet qui traverse un fluide. Par exemple, si vous vous déplacez en vedette et que vous trempez le côté plat d'une fine plaque de contreplaqué dans l'eau, il y a de fortes chances pour que cette dernière se brise.