Aller au contenu
RAAI Formation
Statique · cours 3 sur 3 · 14 min de lecture

Frottement et arc-boutement

Appliquer les lois de Coulomb, distinguer adhérence et glissement, tracer un cône de frottement et reconnaître une situation d'arc-boutement.

Élève : se tester sur ce chapitre ↓

1. Le frottement, ennemi ou allié ?

Jusqu'ici, les liaisons étaient supposées parfaites : l'action de contact était normale à la surface. En réalité, deux solides en contact résistent au glissement par une composante tangentielle T. Ce frottement chauffe les paliers et use les guidages, mais il est aussi ce qui fait fonctionner un frein, un embrayage, une courroie, un boulon serré ou une échelle contre un mur.

2. Les lois de Coulomb

L'action de contact se décompose en une composante normale N (perpendiculaire aux surfaces) et une composante tangentielle T (dans le plan de contact), opposée au mouvement ou à la tendance au mouvement. Coulomb a établi deux cas :

Adhérence (pas de glissement)

T prend la valeur nécessaire à l'équilibre, mais reste bornée : T ≤ f0 · N. f0 est le coefficient d'adhérence.

Glissement

T atteint sa valeur maximale : T = f · N, et T s'oppose à la vitesse de glissement. f est le coefficient de frottement, légèrement inférieur à f0.
T ≤ f0 · N (adhérence)    T = f · N (glissement)    f = tan φ

Le coefficient f ne dépend ni de l'aire de contact ni de la vitesse (en première approximation), seulement des matériaux et de l'état des surfaces (sèches, lubrifiées, oxydées).

Acier / acier à sec
f ≈ 0,15 à 0,20
Acier / acier lubrifié
f ≈ 0,05 à 0,10
Acier / bronze
f ≈ 0,10 à 0,15
Garniture de frein / fonte
f ≈ 0,30 à 0,40
Pneu / route sèche
f ≈ 0,7 à 0,9
PTFE (Téflon) / acier
f ≈ 0,04

3. Le cône de frottement

L'action de contact résultante R (somme de N et T) fait avec la normale un angle α tel que tan α = T/N. Tant qu'il y a adhérence, α ≤ φ, où φ = arctan f est l'angle de frottement. Géométriquement, R reste à l'intérieur d'un cône de demi-angle φ autour de la normale. Au glissement, R est sur la nappe du cône. Pour f = 0,2, φ ≈ 11,3° ; pour f = 0,4, φ ≈ 21,8°.

Plan incliné

Un bloc posé sur un plan incliné d'angle θ reste immobile tant que θ ≤ φ, quelle que soit sa masse. Mesurer l'angle auquel il se met à glisser est un moyen simple de mesurer f = tan θ.

4. L'arc-boutement

Il y a arc-boutement quand un solide se bloque par frottement quelle que soit l'intensité de l'effort qu'on lui applique : augmenter l'effort augmente aussi les réactions normales, donc les efforts de frottement, et le blocage persiste. C'est une condition géométrique, indépendante de la force.

  1. 1Coulisseau sur une glissière : un tiroir de longueur guidée L poussé par une force excentrée de e par rapport à l'axe. Le coulisseau bascule, touche en deux points opposés, et se bloque si e > L / (2f). Avec L = 40 mm et f = 0,2, il suffit que e dépasse 100 mm pour que le tiroir coince, même en poussant très fort.
  2. 2Échelle contre un mur lisse : le mur ne frotte pas, seul le sol retient le pied (coefficient f). L'échelle d'angle θ avec le sol tient, sans personne dessus, si tan θ ≥ 1 / (2f). Pour f = 0,5, il faut θ ≥ 45°. Avec une personne qui monte, le point d'application du poids se rapproche du mur et le glissement devient plus probable.
  3. 3Règle du dessinateur : pour éviter l'arc-boutement d'un guidage, imposer L ≥ 1,5 à 2 × D (longueur de guidage supérieure au diamètre) et rapprocher l'effort de l'axe.

5. Applications industrielles

Frein à disque

Deux plaquettes pressées par un effort N de chaque côté du disque : couple de freinage C = 2 · f · N · rmoy. Le frottement doit être élevé et stable en température.

Embrayage monodisque

Couple transmissible C = f · N · rmoy · n (n = nombre de faces frottantes, 2 pour un disque). Un effort de ressort de 4 000 N, f = 0,3 et rmoy = 90 mm transmettent 216 N·m.

Serrage par vis

Une vis serrée exerce un effort de tension F0 qui plaque les pièces : elles ne glissent pas tant que l'effort transversal reste inférieur à f · F0. C'est l'adhérence, pas le corps de la vis, qui reprend l'effort.

Auto-blocage

Un système vis-écrou ou une roue et vis sans fin sont irréversibles quand l'angle d'hélice est inférieur à φ : la charge ne peut pas faire tourner la vis. Utile pour un cric ou un palan.
T = f·N n'est vrai qu'au glissement (ou à la limite). En adhérence, T se calcule par le PFS et on vérifie seulement T ≤ f₀·N.
Le sens de T s'oppose au mouvement relatif, pas au mouvement absolu : sur une pièce entraînée par adhérence, T est dans le sens du mouvement.
Le coefficient f chute avec une trace d'huile ou d'eau : un frein ou un embrayage doit rester sec.
L'arc-boutement n'est pas une question d'effort : pousser plus fort ne débloque jamais un tiroir coincé, il faut réduire l'excentration.

En images

Cône de frottement et deux cas d'arc-boutement d'un coulisseau, selon que la résultante tombe dans le cône ou en dehors
Cône de frottement et deux cas d'arc-boutement

Pour aller plus loin

À retenir
  • Adhérence : T ≤ f₀·N (T inconnue, déterminée par l'équilibre). Glissement : T = f·N.
  • f = tan φ ; la résultante reste dans le cône de demi-angle φ.
  • f ne dépend ni de l'aire de contact ni de l'effort normal.
  • Arc-boutement = blocage géométrique, indépendant de l'intensité de l'effort.
  • Guidage sûr : longueur guidée L ≥ 1,5 à 2 × D.

Vous êtes élève ? Testez-vous sur ce chapitre

6 questions corrigées, chacune avec son explication. Les trois premières se font tout de suite, sans compte ; la suite, avec une classe abonnée ou un compte personnel.

Faire les 3 premières questions

Votre classe ne l’utilise pas ? Avec un établissement abonné, tout s’ouvre et votre formateur voit où chacun en est. Envoyez-lui ce cours :