Détermination du coefficient de frottement (friction d'adhérence/de glissement)

Le coefficient de frottement est un concept fondamental en physique qui mesure la résistance de deux surfaces à glisser l'une contre l'autre. C'est un nombre sans dimension qui représente le rapport entre la force de frottement et la force normale qui presse les surfaces l'une contre l'autre.

Il existe deux principaux types de coefficients de frottement :

Coefficient de frottement statique : Il s’applique lorsque les surfaces sont immobiles l’une par rapport à l’autre (au repos). Il est généralement supérieur au coefficient de frottement cinétique. La force de frottement statique n’est pas constante ; elle atteint une valeur maximale. Par conséquent, pour mettre en mouvement une boîte lourde, il faut exercer une force plus importante que pour la maintenir en mouvement.
Coefficient de frottement cinétique (ou de glissement) : Il s’applique lorsque les surfaces sont déjà en contact et glissent l’une par rapport à l’autre. La force de frottement est alors approximativement constante. Généralement, le coefficient de frottement cinétique (ou de glissement) est inférieur au coefficient de frottement statique (généralement de 10 à 30 %), ce qui explique que les objets accélèrent légèrement plus facilement une fois leur mouvement amorcé.

Les coefficients varient en fonction de la rugosité de surface, de la propreté, de la lubrification, de la température et de la vitesse. Les valeurs sont approximatives et peuvent varier considérablement en conditions réelles. Voici des plages typiques (surfaces sèches sauf indication contraire) :

Glace sur glace ou téflon sur téflon : coefficient de frottement 0,04-0,1 (très glissant)
Acier sur acier (à sec) : coefficient de frottement statique 0,7-0,8, coefficient de frottement cinétique 0,4-0,6
Béton sec sur caoutchouc (comme les pneus de voiture) : coefficient de frottement statique 0,8-1,0, coefficient de frottement cinétique 0,6-0,8
Bois sur bois : coefficient de frottement statique 0,4-0,6, coefficient de frottement cinétique 0,2-0,4
Métal sur métal (lubrifié) : Le coefficient de frottement cinétique peut être réduit à 0,05-0,15.

Le frottement est étonnamment complexe à l'échelle microscopique (impliquant la rugosité de surface, l'adhérence et parfois des films lubrifiants), de sorte que les valeurs réelles nécessitent souvent une mesure expérimentale plutôt que de se fier uniquement à des tableaux.

Le coefficient de frottement explique des phénomènes du quotidien, comme l'adhérence des chaussures au sol, le fonctionnement des freins, la réduction de l'usure des moteurs par les lubrifiants et la création de surfaces antidérapantes efficaces par certains matériaux.

Le coefficient de frottement est mesuré par différentes méthodes expérimentales selon des procédures de laboratoire précises et normalisées. Le choix de la méthode dépend du matériau (par exemple, plastiques, métaux, papier, revêtements de sol, caoutchouc), du type de valeurs recherchées (statiques ou cinétiques) et de la précision requise.

Méthode du plan incliné (courante en laboratoire) : Cette méthode est l’une des plus simples et des plus classiques pour mesurer le coefficient de frottement statique. Un bloc ou un objet est placé sur un plan plat (par exemple, en bois, en métal ou dans le matériau étudié). L’angle du plan est progressivement augmenté jusqu’à ce que l’objet commence à glisser. Au moment où le glissement débute, la composante gravitationnelle parallèle au plan est égale à la force de frottement statique maximale. Pour le frottement cinétique, l’angle peut être ajusté de manière à ce que l’objet glisse à vitesse constante (cela nécessite un contrôle précis ou de légères vibrations pour éviter le phénomène de stick-slip).
Méthode de traînée horizontale (la méthode industrielle la plus courante) : Cette méthode, qui constitue la base de nombreuses normes, utilise un traîneau (ou un bloc) lesté, traîné sur une surface. Un matériau est fixé à un plan horizontal fixe, et l’autre à un traîneau de masse connue. À l’aide d’un dynamomètre, d’un capteur de force ou d’une machine d’essai universelle, le traîneau est déplacé horizontalement à vitesse constante. La force maximale nécessaire pour amorcer le mouvement (friction statique) et la force constante pendant le glissement (friction cinétique) sont mesurées. La vitesse est généralement contrôlée (par exemple, 150 mm/min dans de nombreuses normes). Des machines d’essai de coefficient de frottement, des dispositifs d’essai de frottement ou des machines d’essai universelles équipées de dispositifs de mesure du coefficient de frottement sont utilisés pour les essais. Cette méthode est utilisée dans deux des normes internationales les plus fréquemment citées :
La norme « ASTM D1894 Méthode d'essai normalisée pour les coefficients de frottement statique et cinétique des films et feuilles de plastique » est couramment utilisée pour les films d'emballage, les stratifiés et les feuilles. Le dispositif est tiré le long d'un plan fixe ou dans la direction opposée. Cette norme a été abrogée ultérieurement, mais elle continue d'être citée.
La norme ISO 8295 « Plastiques – Films et feuilles – Détermination des coefficients de frottement » est similaire à la norme ASTM D1894, mais présente quelques différences concernant la taille des échantillons, l’utilisation des ressorts et la procédure. Les résultats obtenus avec les deux normes ne sont donc pas directement comparables.
La norme « TAPPI T 549 Détermination des coefficients de frottement statique et cinétique des papiers d’écriture et d’impression non couchés à l’aide de la méthode du plan horizontal » décrit une procédure appliquée dans un plan horizontal pour déterminer les coefficients de frottement statique et cinétique mesurés lorsque le papier glisse sur lui-même.
Méthode du dynamomètre/dynamomètre : Il s’agit d’une variante pratique de la traction horizontale. Un dynamomètre ou un dynamomètre numérique est fixé à l’objet. On exerce une traction à vitesse constante, parallèle à la surface. La force est mesurée juste avant le début du mouvement (force statique) et pendant le glissement constant (force cinétique). On divise ensuite cette valeur par la force normale (généralement le poids) pour obtenir le coefficient de frottement. Cette méthode est couramment utilisée lors des inspections sur site.
Méthodes basées sur un tribomètre (avancées/personnalisées) : Les tribomètres modernes offrent une grande précision et permettent de contrôler la charge, la vitesse, le milieu (sec, huileux, température) et parfois plusieurs passages. Ils sont dotés de mécanismes à disque, à bille-plan ou à mouvement alternatif linéaire (par exemple, pour les métaux, les revêtements et les polymères). Des tribomètres portables sont utilisés pour les surfaces de sol et de chaussée. Pour la résistance au cisaillement, la norme ASTM E303 « Méthode d’essai normalisée pour la mesure des propriétés de frottement de surface à l’aide d’un pendule anglais » est appliquée. Pour le cisaillement en milieu humide/sec, la norme ASTM C1679 « Pratique normalisée pour la mesure de la cinétique d’hydratation des mélanges de ciment hydraulique à l’aide d’un calorimètre isotherme » est appliquée.

Pour les applications industrielles, les normes ASTM D1894 ou ISO 8295 sont suivies à l'aide d'un appareil de test de coefficient de frottement spécialisé afin d'obtenir des données fiables et répétables.

Depuis de nombreuses années, notre organisation, forte de son personnel compétent et expérimenté, comprend les besoins de ses clients, leur fournit les services d'essais avancés requis et les accompagne dans la mise en place, l'implémentation et l'amélioration de leurs systèmes de management. Dans ce cadre, nous proposons également aux entreprises des services de détermination du coefficient de frottement (adhérence/friction de glissement).