Les frottements secs et visqueux et leurs utilisations

Les frottements secs et visqueux et leurs utilisations de Lacheze Vladimir Das Noël

Dans quelles situations et comment s’appliquent les frottements secs et visqueux? I) Théorie II) Causes et effets du frottement III) Illustrations

Force de frottement sec • Force F exercée par une surface sur un solide - composante normale à la surface N = réaction - composante tangentielle à la surface Ffrot = force de frottement sec • Il faut distinguer deux cas: ms = coefficient de frottement statique mc = coefficient de frottement cinétique (ou dynamique).

Représentation microscopique du contact entre deux surfaces Vue microscopique de l’interface de contact lorsque les deux surfaces sont en mouvement l’une par rapport à l’autre

Mesure des coefficients de frottements statique Solide à la « limite de l’équilibre » D’après le principe fondamental de la statique on obtient: Avec f : coefficient de frottement

Quelques exemples de coefficients de frottement statique et cinétique

Frottement Visqueux • Solide en mouvement dans un fluide : -On distingue plusieurs régimes en fonction de la vitesse v par rapport au fluide • A très basse vitesse ( < 5 m/s dans l’air) en régime laminaire: - K = coefficient caractéristique de la géométrie du solide -h = coefficient de viscosité du fluide

Utilisation de la loi de stokes Forces s’appliquant sur la sphère : - Son poids, dirigé vers le bas et de formule r. Vg - La poussée d’Archimède, dirigée vers le haut et de formule r 0 Vg -la force de frottement, dirigée dans la direction inverse du déplacement et de formule 6 ph. Rv avec V le volume de la bille, ρ la masse volumique de la bille, r 0 la masse volumique du fluide, g l’accélération de la pesanteur et v la vitesse constante de déplacement de la bille. équation de mouvement : ρV dv/ dt = (ρ − ρ0)g. V − 6πηRv exprssion de la vitesse limite (v. L) : 6πηRv. L = (ρ − ρ0 )g. V avec V= (4 p. R^3)/3 => v. L =(2 R²/9 h)(rr 0)g nombre de Reynolds : Re = ρv. L D/h - D = 2 R étant le diamètre de la sphère

• A plus grande vitesse ( 5< V < 20 m/s dans l’air), en régime turbulent: - r = masse volumique du fluide - S = aire du solide selon la direction perpendiculaire à la vitesse - Cx = coefficient de trainée caractérisant la géométrie du solide • A très grande vitesse ( mais < vitesse du son ):

Rugosité

La rugosité de surface comprend deux types de défauts : -Les stries ou sillions (défaut d’ordre 3) Les causes de ces défauts sont: - Les phénomènes vibratoires haute fréquence - Les stries ou sillions dus au passage de l’outil

- Arrachement de matière ( défaut d’ordre 4 ) Les causes de ces défauts sont : - Le mauvais affûtage de l’outil - Chocs de l’outil sur la pièce (au montage par exemple) - Empreinte du système de serrage

Lignes de référence Ce sont les lignes à partir desquelles paramètres du profil sont déterminés - Les lignes moyennes : Moyenne arithmétique Moyenne des moindres carrés - Les lignes enveloppes : Enveloppe supérieure Enveloppe inférieure L’aire sous la ligne moyenne arithmétique équivaut a celle située au dessus Enveloppe supérieure Enveloppe inférieure

Les différents paramètre liés à la ligne moyenne Rpj : distance entre la ligne des saillies et la ligne moyenne Raj : écart moyen arithmétique du profil Ry : distance entre la ligne des saillies et la ligne des creux

Viscosité Variation de la vitesse d’un fluide contenu entre deux plans parallèles infinis dont l’un est mobile, l’autre fixe [µ] = [M] [L]– 1 [T]– 1 - Le coefficient de proportionnalité µ est appelé coefficient de viscosité dynamique. L’unité dans le système international est le pascal-seconde (Pa · s). On utilise également le poiseuille [Pl] ( 1 Pl= 1 Pa. s ).

Le coefficient de viscosité cinématique est défini à partir du coefficient de viscosité dynamique µ par la relation : où ρ est la masse volumique du fluide. [ν ] = [L]2 [T] – 1 L’unité est le Stokes (St, 1 St = 1 cm²/s ) la viscosité apparaît comme étant la traduction de l’échange de quantité de mouvement entre les « couches » de particules s’écoulant à des vitesses différentes la force de frottement F étant ramenée à une contrainte de cisaillement τ.

Déformation d’un élément de volume de fluide en écoulement M se déplace à la vitesse v = v 1 x 1 et M 1 à v + dv = (v 1 + dv 1)x 1. Au bout du temps dt, le point M se sera déplacé de la quantité v 1 dt x 1 , alors que le point M 1 se sera déplacé de la longueur (v 1 + dv 1)dt x 1. La déformation angulaire d γ 12 vaut : Comme la vitesse de déformation angulaire est par définition, on voit que la contrainte de cisaillement s’écrit :

Évolution de la viscosité dynamique de l’eau liquide avec la température θ (en o. C) 0 µ (en m. Pa · s) 1, 83 10 20 1, 33 1, 03 50 100 150 200 0, 56 0, 28 0, 14 Variation de la viscosité cinématique de l'eau avec la température

Manifestation du frottement Les manifestations du frottement sont : -l’usure - l’échauffement - le bruit Effet de l’usure sur un pneu

Illustration de frottement - Le frein à disque -L’aquaplaning

Le lubrifiant Il existe deux régimes de lubrifications : - Le régime onctueux - le régime hydrodynamique

Les traitements anti-usure Il y a différents types de traitement anti-usure: -Traitement mécanique ( ex: le moletage qui améliore le poli, la dureté et la résistance ) -Les procédé électrochimique ( L’électropolissage qui permet une résistance plus marquée à l'usure, une augmentation de la résistance à la corrosion et une rugosité divisée par 2 ) -Traitement des métaux ferreux (augmente la dureté superficielle et la résistance à l’oxydation et à la corrosion ) Exemple de moletage

Conclusion Le Transrapid de Shanghai