Comment facilement identifier la force de frottement cinétique Ffc ?

Dans un article précédent, nous avons parlé des forces de frottement statique, qui existent quand un objet est sur le point de glisser. Ici, nous parlons de la force de frottement cinétique, qui existe quand un objet glisse effectivement !

Comme précédemment, pour trouver la direction de la force, c’est simple : Elle agit le long de la surface sur laquelle l’objet glisse ! Alors que sa cousine (la FfS “Revoir”) nous a causé du souci quand il s’agissait de trouver l’intensité, ici, c’est simple: elle vaut toujours µc.N. Où µc est le coefficient de frottement cinétique ou dynamique (c’est pareil !) qui dépend de l’état des deux surfaces en glissement l’une sur l’autre et qui est généralement un peu inférieur au coefficient de frottement statique µS qui existe entre les deux mêmes parois.
Nous avons donc toujours : \( F_{fc}=µ_{c}.N \)
N est, bien sûr, l’intensité de la réaction normale de la surface d’appui.
Par contre, eh oui, il y a un ‘MAIS’, si la cousine statique se laisse facilement deviner en sens, il n’en est pas de même pour la force de frottement cinétique ! Alors que le frottement statique s’oppose toujours au glissement, la force de frottement cinétique peut agir dans le sens du glissement! KESAKO !!! Analysons la chose de plus près !

Pour trouver le sens de la force de frottement cinétique, il y a un truc ! Dans un cas de glissement, il y a toujours deux surfaces, avec un mouvement relatif de l’une par rapport à l’autre. Il suffit de se mettre dans la peau de l’objet sur lequel on souhaite faire l’étude des forces et d’observer comment se déplace l’autre surface !

Prenons l’exemple simple d’un bloc qui glisse sur le sol vers la droite. Plaçons notre référentiel (notre caméra ou notre œil) sur le sol. Que voyons-nous ? Un déplacement du bloc vers la droite…

Mais, c’est sur le bloc que nous voulons faire l’analyse des forces, plaçons alors notre œil sur ce bloc et observons le mouvement relatif de l’autre surface, càd, du sol !

Que voyons-nous ? Le sol qui se déplace vers la gauche bien entendu ! Il s’agit de la direction de la force de frottement cinétique.
Dans le cas simple d’un bloc qui glisse vers la droite à vitesse constante \( (\overrightarrow{a}=\overrightarrow{0}) \), nous pouvons affirmer que la somme vectorielle des forces est nulle \( (\Sigma\overrightarrow{F}=\overrightarrow{0}) \) et donc : le poids est compensé par la réaction normale du sol verticalement ; tandis que la force motrice exercée vers la droite est compensée par la force de frottement cinétique vers la gauche.
Nous pouvons donc réaliser le schéma de forces ci-dessous.

Attention, plus subtile ! Inversons l’exercice ; c’est maintenant le bloc qui est posé sur une table (ou une nappe) en mouvement vers la droite par rapport au sol.
Faisons l’étude des forces qui agissent sur le bloc :
1. La force pesanteur \( (\overrightarrow{G}) \)
2. Etant donné que le bloc prend appui avec son poids sur la table, celle-ci réagit avec une réaction normale \( (\overrightarrow{N}) \)
3. Si on tire sur la nappe vers la droite, on observe que le bloc glisse un peu vers la droite. Il y a glissement, il y a donc une force de frottement cinétique \( (\overrightarrow{F}_{fc}) \) dans cet exercice. Quel est son sens ? Il y a un truc pour trouver le sens de cette force, lequel ? …

Parfait ! Il suffit de se mettre une fois de plus dans la peau du bloc et d’observer comment l’autre surface (la nappe) se déplace. Dans ce cas, le bloc immobile, voit également la nappe qui part vers la droite, il s’agit donc du sens de la force de frottement cinétique.
Nous pouvons donc tracer le diagramme de forces ci-dessous.

Remarquons que la force motrice est appliquée à la nappe et pas au bloc. La main touche la nappe, pas le bloc ! Par contre, le bloc se retrouve soumis à une seule force horizontale (la force de frottement cinétique) qui n’est donc compensée par aucune autre. Il y a donc une accélération du bloc vers la droite.
Si la force motrice est suffisamment brève, le mouvement de la nappe l’est également, la force cinétique n’agit donc qu’un bref instant et le bloc ne bouge presque pas. C’est évidemment tout l’art du « tour de magie » durant lequel on tire très fort et de façon très brève sur la nappe pour que la vaisselle dressée reste en place !

 

Voici un autre cas de figure fréquemment rencontré. Un bloc glisse sur un plan incliné. Réalise l’étude des forces qui agissent sur ce bloc.

Réponse :
1. Il y a bien entendu la force poids qui agit verticalement vers le bas \( (\overrightarrow{G}) \).
2. Mais il y a également une réaction normale de la part du plan incliné puisque le bloc prend appui sur ce dernier. Comme son nom l’indique, cette réaction est perpendiculaire à la surface d’appui \( (\overrightarrow{N}) \).
3. Il y a glissement et donc, il y a une force de frottement cinétique \( (\overrightarrow{F}_{fc}) \). La direction de la force est parallèle à la surface de glissement, donc au plan incliné. Si la valeur de cette force est facile à déterminer (Ffcc.N) on sait qu’il faut se mettre dans la peau de l’objet sur lequel on réalise l’étude des forces pour déterminer son sens. Que voit le bloc en descendant ? Le sommet du plan s’éloigne de lui et donc, tout se passe comme si le sol se déplaçait vers le haut, voilà donc le sens de la force de frottement cinétique.

On trace donc le diagramme de forces ci-dessous sur lequel on a représenté les deux composantes du vecteur poids\( (\overrightarrow{G}_{//}\; et \; \overrightarrow{G}_{N}) \).

En effet, dans ce cas, pour trouver la norme de la réaction normale N (afin d’évaluer la valeur de la force de frottement cinétique \( (F_{fc}=µ_{c}.N) \), il faudra trouver la valeur de la composante normale du poids en utilisant un peu de trigonométrie.
Quant à dire si le bloc est accéléré ou pas, il faut pour cela comparer la valeur de la composante parallèle du poids à celle de la force de frottement cinétique !

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