Coefficients de frottement des matériaux et surfaces courants

Vue d'ensemble

Les coefficients de frottement décrivent la résistance au mouvement de glissement entre deux surfaces en contact. Le coefficient de frottement (μ) est un rapport sans dimension de la force de frottement à la force normale pressant les surfaces ensemble. Deux types distincts existent : le frottement statique (μₛ), qui résiste au début du mouvement, et le frottement cinétique ou de glissement (μₖ), qui agit une fois que le mouvement relatif est en cours. Les coefficients statiques sont toujours supérieurs ou égaux aux coefficients cinétiques — il faut plus de force pour commencer à déplacer un objet que pour le maintenir en mouvement.

Les conditions de surface telles que la lubrification, la rugosité, la température et la contamination influencent significativement le coefficient mesuré. Les valeurs dans les références d'ingénierie représentent des plages typiques ; les applications réelles nécessitent des tests dans des conditions représentatives.

Lois de frottement

Les lois de frottement de la source sont préservées ici sous une forme pratique pour l'ingénierie :

• Le frottement agit tangentiellement à la surface de contact et s'oppose au mouvement relatif imminent ou actuel.
• La force de frottement est proportionnelle à la force normale entre les surfaces.
• Pour les surfaces de glissement sèches, la force de frottement est couramment modélisée comme indépendante de la zone de contact apparente.
• Le frottement statique résiste au début du mouvement ; le frottement cinétique ou de glissement agit après le début du mouvement et est généralement plus faible.
• Le coefficient dépend fortement de l'appariement des matériaux, de la finition de surface, de la lubrification, de la contamination et de la température.

Force de frottement

$F_f = \mu \cdot N$

La force de frottement est égale au coefficient de frottement multiplié par la force normale entre les surfaces.

Force normale sur une surface horizontale

$N = m \cdot a_g$

Pour un objet reposant sur ou se déplaçant sur une surface horizontale, la force normale est égale au poids de l'objet.

Force de frottement combinée (horizontale, chargée par la gravité)

$F_f = \mu \cdot m \cdot a_g$

Énergie cinétique d'un corps en mouvement

$E_k = \frac{1}{2} m v^2$

Distance de freinage (frottement constant)

$d = \frac{v^2}{2 \mu a_g}$

La distance nécessaire pour arrêter un véhicule sous freinage par frottement, dérivée en égalant l'énergie cinétique au travail effectué par le frottement.

Variables

Calculateur de force de frottement

Frottement statique vs. cinétique — Exemples illustratifs

Exemple travaillé — Distance de freinage

Une voiture de masse 2000 kg circule à 100 km/h (27,78 m/s) sur une route mouillée avec un coefficient de frottement cinétique de 0,2.

L'énergie cinétique est :

$E_k = \frac{1}{2}(2000)(27.78)^2 \approx 771{,}605 \text{ J}$

La force de freinage par frottement est :

$F_f = 0.2 \times 2000 \times 9.81 = 3{,}924 \text{ N}$

La distance d'arrêt requise est :

$d = \frac{E_k}{F_f} = \frac{771{,}605}{3{,}924} \approx 197 \text{ m}$

Coefficients de frottement pour certains matériaux et combinaisons de matériaux courants

Le tableau suivant est restauré depuis la page source originale afin de conserver les données de référence complètes, y compris les plages et les cellules vides lorsque la source ne fournit pas de valeur.

Notes d'ingénierie

• Les coefficients statiques dépassent toujours les valeurs cinétiques. Une force plus importante est nécessaire pour initier le mouvement que pour le maintenir. Cette différence peut être de 2× ou plus pour certaines paires de matériaux (par exemple, fonte sur fonte : μₛ = 1,1 contre μₖ = 0,15).
• La lubrification réduit considérablement la friction. La graisse ou l'huile peuvent abaisser le coefficient de 50 à 90 % par rapport à des surfaces sèches et rendent la friction presque indépendante des matériaux de surface impliqués.
• L'état de surface est important. La température, l'humidité, les couches d'oxyde et la rugosité superficielle modifient tous les coefficients mesurés. Les valeurs tabulées ici s'appliquent à des conditions de laboratoire propres et contrôlées, sauf indication contraire.
• Effets de la pression. À des pressions faibles à modérées, la friction est proportionnelle à la force normale et indépendante de la surface de contact. À des pressions extrêmes, la friction augmente fortement et un grippage peut survenir.
• Effets de la vitesse. À des vitesses de glissement très faibles, la friction est essentiellement indépendante de la vitesse. À mesure que la vitesse augmente, la friction cinétique diminue généralement.
• Friction pneu–route. Un coefficient de friction autour de 0,72 sur asphalte sec chute à environ 0,2 sur des surfaces mouillées, ce qui explique pourquoi les distances de freinage peuvent être multipliées par trois ou plus sous la pluie.
• Facteurs de sécurité. La conception des systèmes dépendant de la friction (freins, embrayages, convoyeurs à bande) doit inclure des marges de sécurité appropriées et tenir compte de la variation du coefficient sur la durée de vie du composant.

Références

• Engineering ToolBox — Coefficients de friction