FROTTEMENT

Le frottement désigne les phénomènes qui naissent dans les zones superficielles de deux corps appuyant l'un sur l'autre en se déplaçant l'un par rapport à l'autre. On dit de deux surfaces matérielles qu'elles « frottent correctement », dans une liaison mécanique, lorsque leur déplacement relatif n'entraîne ni usure exagérée ni modification des structures ou élévation de température dommageables. Le frottement a notamment pour effet le vieillissement des surfaces, l'apparition de contraintes qui produisent l'écrouissage, la création de quantités de chaleur qui provoquent un auto-relâchement des contraintes résiduelles. En outre, les transformations physico-chimiques ont pour conséquence qu'un alliage peut se recouvrir progressivement de certains de ses constituants mêlés de leurs oxydes. Enfin, les températures très élevées atteintes localement provoquent des réactions entre les ambiances et les matériaux (oxydation avec l'air, carburation avec les lubrifiants, sulfuration avec les vapeurs industrielles). En ce sens, la plupart des matériaux de construction mécanique (aciers, fontes, bronzes, alliages légers) ne frottent à peu près correctement que grâce à leur couche superficielle d'oxydes. Les problèmes techniques deviennent très ardus lorsque cette couche superficielle disparaît. C'est ce qui se produit en particulier dans le milieu spatial où, après une brève période de dégazage, les mécanismes des engins spatiaux peuvent se bloquer par grippage ; le problème du frottement dans le vide poussé s'est ainsi trouvé à l'origine de la relance des études sur le frottement. Une autre impulsion est venue des besoins nouveaux de l'industrie nucléaire (frottement dans le sodium, l'eau lourde ou le gaz carbonique), de la construction aéronautique (frottement du titane, des alliages légers) ou du génie chimique (frottement dans les bases, les acides, sous hautes températures...). Les théories du frottement ne peuvent généralement apporter que des résultats particuliers non généralisables.

Typologie des frottements

Le cas le plus général est celui du « frottement de glissement ». Si l'on désigne par F la force, parallèle au plan tangent commun aux corps A et B, nécessaire pour obtenir le glissement de A par rapport à B, le coefficient global de frottement de glissement f est égal à F/N ( a) ; c'est un scalaire.

Il y a frottement de pivotement lorsqu'un point donné de A coïncide pendant tout le mouvement avec un point donné de B. Le mouvement s'obtient en exerçant un couple C. Le « coefficient de frottement de pivotement » est égal à C/N ; il est homogène à une longueur.

Dans un frottement de roulement, un point de contact (ou une ligne) de A et de B joue le rôle de centre instantané de rotation. Dans le mouvement, la direction de la force N se déplace parallèlement à elle-même d'une longueur H. Le « coefficient de frottement de roulement » est égal à H/R ; c'est un scalaire.

Léonard de Vinci et Guillaume Amontons ont, les premiers, remarqué, d'une part, la proportionnalité entre la force de frottement F et le poids total du corps, d'autre part, l'indépendance de cette force par rapport à la grandeur de l'aire d'appui ; pour eux, seul intervenait dans la genèse de la force de frottement l'effort à fournir pour faire franchir aux deux corps en contact leurs aspérités respectives.

Coulomb a introduit le premier la notion d'adhérence, phénomène qui s'oppose à la naissance du glissement. Cette notion a fait, dans les années 1960, l'objet d'études approfondies par l'équipe de chercheurs de Cambridge (F. P. Bowden).

Pour expliquer cette adhérence, on admet que, sous l'effet combiné des hautes températures engendrées localement par le frottement et de la[...]