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En [[physique]], le '''frottement '''(ou '''friction''') est une [[interaction]] qui s'oppose au mouvement relatif de [[glissement]] entre deux corps ou milieux en contact. Le frottement peut être étudié au même titre que les autres types de [[force (physique)|force]] ou de [[couple (physique)|couple]]. Son action est caractérisée par une [[norme]] et une [[orientation (mathématiques)|orientation]], ce qui en fait un [[vecteur]]. L'orientation de la force (ou du couple) de frottement créé sur un corps est opposée au déplacement relatif de ce corps par rapport à son environnement<ref>{{harvsp|Champagne|2009|p=183}}.</ref>. La force de frottement n'est pas [[Force conservative|conservative]] car, entre 2 points donnés, son [[Travail d'une force|travail]] dépend du chemin parcouru.

La [[science]] qui étudie le frottement entre solides est la [[tribologie]]. La tribologie est complexe par le fait que le frottement n'est pas dû à une [[interaction élémentaire]], mais résulte de causes diverses, principalement des [[force électromagnétique|forces électromagnétiques]] et de l'[[interaction d'échange]] entre les [[atome]]s des surfaces en contact. 

En mécanique, le frottement sec entre deux corps peut être décrit par un [[coefficient de frottement]] qui exprime la force de frottement en fonction de la force d'appui, en définissant un cône de frottement autour de la normale à surface de contact. Le frottement sec statique détermine l'[[adhérence (physique)|adhérence]], qui s'oppose à l'initiation d'un mouvement. Lors d'un mouvement relatif, le frottement dissipe de l'énergie sous forme de [[Chaleur (thermodynamique)|chaleur]]. La minimisation des frottements permet d'améliorer de [[Rendement (physique)|rendement]] énergétique d'un mécanisme. On parle de [[Superlubrification|superlubricité]] quand le coefficient de frottement devient inférieur à 0,01. 

== Historique ==
L'omniprésence des frottements a longtemps conduit à ce qu'ils ne soient pas considérés comme des interactions mais comme des caractéristiques fondamentales de la nature. Ainsi, dans la [[physique aristotélicienne]], on considérait que les objets ne pouvaient maintenir leur mouvement que si une force continuait à s'exercer sur eux. L'observation des mouvements [[astronomie|astronomiques]], pour lesquels l'influence des frottements est négligeable, amène à la remise en cause de cette physique et à l'établissement de la [[mécanique newtonienne]].

Précurseur de l'étude du frottement, [[Léonard de Vinci]] en étudie les principes et élabore, en 1508, deux énoncés.

Le premier stipule que la force de frottement est proportionnelle à la charge, la charge signifiant ici la force qui comprime l'une contre l'autre les deux surfaces. Le second énoncé mentionne que la force de frottement est indépendante de l'aire de contact<ref>{{harvsp|Benson|2009|p=157}}.</ref>. 

En 1699, [[Guillaume Amontons]] tire les mêmes conclusions que Léonard de Vinci et fait une troisième découverte : le coefficient de frottement ne dépend pas de la vitesse<ref name="Benson158">{{harvsp|Benson|2009|p=158}}.</ref>.

==Caractéristiques physiques==
On distingue deux principaux types de frottement :

=== Frottement sec ===
[[Fichier:Friction.svg|thumb|Le frottement <math>\vec{F}</math> 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 (mécanique)|loi de Coulomb]].

==== Frottement sec statique ====
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<ref name="Benson159">{{harvsp|Benson|2009|p=159}}.</ref>. 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. Il détermine l'[[Adhérence (physique)|adhérence]] entre les deux corps.

Mathématiquement, le frottement statique <math>\vec{f_s}</math> est opposé à la composante tangentielle <math>\vec{f}_\text{tangentielle}</math> de la force appliquée, et son intensité est inférieure ou égale au coefficient de frottement statique <math>\mu_s</math> multiplié par le poids apparent <math>N</math> :

<center><math>\vec{f_s} = - \vec{f}_\text{tangentielle}</math></center>
Dès que la force tangentielle dépasse la valeur maximale du frottement statique, l'objet se met à glisser, entraîné par la force appliquée.  

<center><math>\left\vert f_s \right\vert \le \mu_s N</math></center>

Le même raisonnement peut se transposer en termes de couple de frottement.

==== Frottement sec cinétique (ou dynamique) ====
{{redirect|Frottement dynamique|autres=le phénomène astrophysique|homonymie=Friction dynamique}}

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 <math>\vec{f}_c</math> 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 <math>\mu_c</math> multiplié par le poids apparent <math>N</math><ref name="Benson159"/>.

<center><math>\vec{f_c} \text{ colinéaire à } -\vec{v}</math></center>
<center><math>\left\vert f_c \right\vert = \mu_c N</math></center>
Le même raisonnement peut se transposer dans le cas de couple de frottement.

==== Superlubricité ====
La [[Superlubrification|superlubricité]] est un état de surface caractérisé par un [[coefficient de frottement]] cinétique inférieur à 0,01 (1 %). La superlubrification est l'application d'un [[Revêtement (technique)|revêtement]] de surface superlubrique. Une équipe de recherche annonce avoir obtenu un tel revêtement présentant un coefficient de frottement macroscopique de l'ordre de 0,3 % et capable d’endurer {{nb|150000 cycles}} de fonctionnement (sur substrat [[acier]] ou [[nickel]]). Ce revêtement graphitique {{—|obtenu à partir de [[biodéchet]]s de [[manioc]]}} consiste à appliquer sur la surface métallique une couche de [[carbone]] à haute température. Cette couche est constituée de [[Nanocristal|nanocristaux]] de carbone avec des signatures de [[graphène]]<ref>{{Article|prénom1=Tabiri Kwayie|nom1=Asumadu|prénom2=Mobin|nom2=Vandadi|prénom3=Desmond Edem Primus|nom3=Klenam|prénom4=Kwadwo|nom4=Mensah-Darkwa|titre=Robust macroscale superlubricity on carbon-coated metallic surfaces|périodique=Applied Materials Today|volume=37|pages=102140|date=2024-04-01|issn=2352-9407|doi=10.1016/j.apmt.2024.102140|lire en ligne=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940724000866|consulté le=2024-08-10}}</ref>.

=== Frottement visqueux ===
[[fichier:Courbe de Stribeck 1.svg| vignette| redresse=1.5| [[Courbe de Stribeck]].]]
Un frottement [[Viscosité|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.

==== Frottement visqueux de lubrification ====
Étant donné deux surfaces séparées par un liquide visqueux, le frottement suit une [[courbe de Stribeck|loi de Stribeck]] (image ci-contre).
{{Clr}}
==== Frottement ou traînée de frottement (ou friction) en mécanique des fluides====
{{Article détaillé|Frottement fluide}}
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'')<ref>C'est l'hypothèse de ''vitesse nulle à la paroi'', hypothèse qui n'a jamais été démentie dans les faits.</ref>. Cependant, 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 cœur 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<ref> UE : Aérodynamique Fondamentale, Chapitre 3 : LA COUCHE LIMITE EN AÉRODYNAMIQUE, Jean-Christophe Robinet, ARTS ET MÉTIERS PARIS TECH, SISYF, [https://docplayer.fr/23046196-Ue-aerodynamique-fondamentale.html]</ref>.

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 :

<math>C_{f} = \frac{T_f}{\frac{1}{2}\rho v^2} </math>

définition où :
* <math>C_{f} </math> est le Coefficient de friction
* <math>{\rho}</math> est la [[masse volumique]] du fluide
* <math>{v}</math> est la vitesse de l'écoulement 
* <math>{T_f}</math> est la partie de la traînée due à la friction
* <math>{\frac{1}{2}\rho v^2}</math> est la [[pression dynamique]] de l'écoulement

== Aire de contact réelle ==
[[Fichier:Friction_surface_microstructure.png|thumb|
Les irrégularités des surfaces sont à la source du frottement.
]]

Dans l'étude du frottement, il importe de distinguer l'aire réelle de contact de l'aire apparente de contact. Ainsi, même les objets [[polissage|polis]], qui semblent parfaitement lisses, présentent de minimes irrégularités. Les plus hauts points de ces irrégularités, les aspérités, représentent souvent une très faible proportion de la surface totale. C'est cette petite partie, appelée aire de contact réelle, qui est véritablement en contact avec une autre surface et qui cause le frottement, et non l'aire totale de la face du corps, soit l'aire de contact apparente<ref name="Benson158" />.

== Exemples ==
Les frottements interviennent dans la grande majorité des phénomènes physiques de la vie courante. Ils sont parfois exploités (par exemple pour le [[frein]]age, l’[[Adhérence (physique)|adhérence]], le [[sciage]], le [[polissage]], le [[lavage]], etc.), mais ils ont également des conséquences fâcheuses ([[Usure des surfaces|usure]], perte d'[[énergie]] et donc de [[Rendement (physique)|rendement]], échauffement, etc.) pour les êtres vivants et de nombreuses applications technologiques et économiques.

== Modification ==
Pour diminuer le frottement il est possible d'appliquer entre les deux surfaces concernées un [[Lubrifiant (mécanique)|lubrifiant]] ou d'utiliser un [[roulement mécanique]] qui transforme le frottement de glissement en un frottement de roulement beaucoup plus faible.

Pour augmenter le frottement, il est possible d'augmenter la [[rugosité]] des surfaces. C'est ce qui est fait avec le [[Sablage (route)|sablage]] des routes verglacées. 

== Mesure ==
Un [[tribomètre]] est un instrument qui mesure le frottement sur une surface.

==Notes et références==
{{Références}}

== Bibliographie ==
{{légende plume}}
*{{plume}}{{ouvrage|prénom1=Marielle|nom1=Champagne|titre=Option science Physique La mécanique|édition=Édition du Renouveau Pédagogique|année=2009|pages totales=330}}
*{{plume}}{{ouvrage|prénom1=Harris|nom1=Benson|traducteur=Marc Séguin, Benoît Villeneuve, Bernard Marcheterre et Richard Gagnon|titre=Physique 1 Mécanique|édition=Édition du Renouveau Pédagogique|numéro d'édition=4|année=2009|pages totales=465}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Tribologie]]
* Le [[b:Tribologie|wikilivre de tribologie]] 
* [[Liaisons mécaniques avec frottement]]
* [[Courbe de Stribeck]]
* [[Mécanique des fluides]]
* [[Traînée]]
* [[Couche limite#La force de friction (ou de frottement) due à la couche limite|Couche limite]]
* [[Mécanique du contact]]
* [[Stick-slip]]
* [[Amortisseur|Frotteur]]

=== Liens externes ===

{{Autres projets
 | wikibooks = Tribologie/Genèse des frottements | wikibooks titre = Genèse des frottements (Tribologie)
 | wiktionary = frottement
 | wikiversity = Mécanique pour l'enseignement technique industriel/Forces d'adhérence et de frottement | wikiversity titre = Forces d'adhérence et de frottement ( Mécanique pour l'enseignement technique industriel)
}}

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[[Catégorie:Tribologie]]