Question de frottements solide: "moins la surface est rugueuse, plus les frottements sont élevés" !?

[Lepton]

Bonjour à tous,

J'étais en train de réviser mon chapitre de physique sur les frottements solides sec (statiques et dynamiques) dans mon bouquin (Ellipse fillière MP de cette année).
Une des questions du VRAI/FAUX est : "Plus la surface entre deux solides en contact est rugueuse, plus la force de frottement entre eux est élevé".
Et la bonne réponse est ... FAUX.

Je ne comprends pas pourquoi c'est faux, et je ne comprend pas non plus l'explication qu'ils donnent pour expliquer cela, la voici :

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FAUX : A l'échelle microscopique, ces forces ont sont de nature électromagnétique (interactions attractives à courte distance entre les dipôles à la surface des solides en contact). En effet, les ions d'un réseau métallique ou les molécule d'un amorphe sont modélisables par des dipôles électromagnétiques. Plus les surfaces en contact sont régulières, plus les dipôles appartenant aux deux surfaces en contact sont proches et plus les interactions dipôle-dipôle (qui sont globalement attractives) sont intenses. La force de frottement est la moyenne à l'échelle macroscopique de ces interactions microscopiques. Ainsi, contrairement à l'idée reçu, moins la surface est rugueuse, plus les frottements sont élevés. On comprend aussi que l'état de surface et la présence d'impuretés conditionnent fortement la valeur locale des frottements qui ne sont pas uniformes à l'échelle de la surface de contact. La force de frottement équivalente au point de contact est une valeur moyenne

Je comprend vaguement l'idée de l'explication mais ça reste flou. En cherchant un peu sur internet, j'ai également vu qu'il y avait une histoire de surface réelle de contact/ surface apparente, je sais pas si c'est de ça dont il est question ici.

On nous présente le chapitre sur les frottements solide en disant qu'ils proviennent du fait que les surfaces en contact ne sont pas parfaitement lisses, et maintenant je découvre qu'en fait c'est bien avec les surfaces lisses qu'il y a le maximum de frottements ..

Merci aux tribulogues qui pourront m'éclairer
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[Lepton]

*tribologues pardon

[LPFR]

Bonjour.
La personne qui a écrit ça pense que les surfaces des objets sont celles que l’on trouve dans les mauvais bouquins de physique théorique.

Les rugosités dont il parle sont des dimensions de l’ordre de celle des atomes. Or, des surfaces planes à ces niveaux ne peuvent s’obtenir par les polissages classiques. Il faut des clivages. Et encore, ces clivages ne pressentent un plan monoatomique (sans marches) que sur des distances microscopiques.
Les rugosités des objets réels sont des centaines de fois plus grandes. Même celles des surfaces optiques des meilleurs composants.

Finalement, la surface (propre) des objets exposés à l’air se recouvre en nanosecondes, d’une couche de plusieurs molécules d’épaisseur de gaz adsorbées.

Bref, cette personne ne sait pas de quoi elle parle.
Au revoir.

[invite07941352]

Bonjour,
On en revient au mystère de l'adhérence des cales Johnson ... http://forums.futura-sciences.com/ph...e-collent.html

Pour en avoir manipulé , je suis un partisan de l'adhérence par manque d'air , manque de pression atmosphérique , entre les 2 faces ,
comme les anciens verres Pyrex à fond bien plat quand il y a un peu d'eau sur la table . Mais ce n'est pas un argument bien solide .

Ce que je trouve un peu fort en 2014 , c'est que personne ne soit d'accord sur une explication physique incontestable .
Peut être plusieurs causes en même temps ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[LPFR]

Bonjour Catmandou.
J’avais oublié la discussion dont vous donnez le lien (et j’ai pourtant bien participé).

Je suis complètement d’accord avec vous à propos des cales Johnson. Je pense que c’est une des idées reçues en physique que l’on transmet de prof en élève depuis des générations.
On peut avoir un aperçu si on prend deux morceaux de glace (verre flotté, très plat mais non de qualité optique) comme ceux utilisés pour faire les fenêtres modernes.
Quand on les met l’une sur l’autre en on le presse (en les faisant glisser l’un sur l’autre pour aider la fuite de l’air pris dans le sandwich. Il arrive un moment où l’on voit apparaître els figures d’interférence (on est arrivé à des séparation de l’ordre du micron). On continue appuyer et bouger et on sent la viscosité de l’air emprisonné.
En ce moment, les deux morceaux de verre se comportent comme des cales Johnson. Peut-être pas indéfiniment, car l’air finit par entrer et qu’il n’y a pas de gras pour assurer la cohésion.

Une surface préparée par polissage ne peut pas être moins rugueuse que les grains de abrasif utilisé pour les faire. Pour qu’elles soient planes à un atome près, il faudrait que le dernier abrasif soit continué par des atomes individuels.
Et les cales Johnson, même si elles étaient parfaites ne sont pas à l’abri de la poussière. Une seule particule de poussière, même écrabouillée, empêcherait le contact entre deux surfaces parfaitement planes.
Cordialement,

[invite07941352]

Re LPFR ,
Nous avions aussi discuté avec un participant qui voulait faire la soudure idéale par diffusion ...
Les meilleurs poli miroirs descendent à 0.2, 0.1 micron de rugosité , MAIS ils n'empêchent pas des ondulations macro géométriques à plus grande échelle .

Pour la petite histoire , il y avait à l 'Institut Laue-Langevin dans les années 90 , probablement en relation avec la diffraction des neutrons ,
une plaque de verre Schott de 40 * 40 cm , épaisseur 4 ou 5 cm , dont une face était garantie , non pas à plus ou moins une couche d'atomes , mais à zéro , plus une couche d'atomes ...
Je ne l'ai pas vue, mais mon collègue disait que l'on voyait des phénomènes optiques en surface .
Mais maintenant, je ne vois pas trop , pour du verre ce que signifie une couche d'atomes ? atomes de quoi ?
Cordialement,

[LPFR]

Re-bonjour Catmandou.
Sincèrement, je ne crois pas à l’histoire de la plaque verre plane à un niveau atomique.
Car même si elle était faisable (et je ne vois pas par quelle méthode), je ne vois pas non plus comment elle a pu être vérifiée. Car (à ma connaissance) les seuls moyens de détecter les atomes isolés sont la microscopie à force atomique ou à effet tunnel. Or, sur une plaque de 40 cm c’est impossible.

Car les méthodes d’interférences ne fonctionnent pas. Ils ne détectent que l’ordre.
À ma connaissance, les objets les plus parfaits (mais sphériques) qu’on ait réalisé sont les sphères en quartz fondu utilisés dans la manip Gravity probe B. Et les erreurs de la surface étaient de 10 nm, c'est-à-dire quelques 20 atomes.
Cordialement,

[invite07941352]

RE bonjour LPFR,
Bien sûr, tout cela est logique .
Je vais essayer de déterrer cette affaire et revenir avec des infos supplémentaires ( s'il y a lieu ...) .
Cordialement,

[Lepton]

Merci pour vos réponses ! J'oublie donc l'explication maladroite du bouquin, qui veut tout et rien dire.
C'est donc une question d'échelle. Donc si on prend deux matériaux lisses à notre échelle, ce sera le plus lisse des deux à l'échelle atomique qui aura tendance à provoquer le plus de frottements contre une surface donnée ?

Par contre, ça me parait absurde de dire qu'une surface rugueuse à notre échelle (qui donc ne sera pas "lisse" à l'échelle microscopique non plus), aura tendance à moins frotter sur une surface donnée qu'une surface très lisse à l'échelle atomique. Non ? (surtout si cette surface donnée est rugueuse ..)

[LPFR]

Merci pour vos réponses ! J'oublie donc l'explication maladroite du bouquin, qui veut tout et rien dire.
C'est donc une question d'échelle. Donc si on prend deux matériaux lisses à notre échelle, ce sera le plus lisse des deux à l'échelle atomique qui aura tendance à provoquer le plus de frottements contre une surface donnée ?

Par contre, ça me parait absurde de dire qu'une surface rugueuse à notre échelle (qui donc ne sera pas "lisse" à l'échelle microscopique non plus), aura tendance à moins frotter sur une surface donnée qu'une surface très lisse à l'échelle atomique. Non ? (surtout si cette surface donnée est rugueuse ..)

Re.
Non. Oubliez les échelles atomiques auxquelles nous n’avons pas accès (en dehors des laboratoires).
Oubliez l’explication absurde du bouquin.
Les surfaces plus rugueuses ont plus de frottements que les surfaces lisses.

Et la nature des frottements n’est précisément pas les forces de Van der Waals mais la déformation des « sommets et collines » entre les deux surfaces et le besoin de les surmonter pour avancer.
A+

[coussin]

Sincèrement, je ne crois pas à l’histoire de la plaque verre plane à un niveau atomique.

Si, c'est monnaie courante pour les miroirs utilisés en optomécanique où l'on atteind des rms pour la rugosité de quelques angstroms sur des surfaces de plusieurs dizaines de microns de côté.

[stefjm]

Deux unités non SI pour le bon exemple?

[invite06459106]

Bonjour,
Pour appuyer Coussin, pour le GTC par ex, on passe par plusieurs procédés, ou l'on passe de 250nm(procedé courant), à 10nm(procedé polissage robotique), à moins de 0.1nm(ion beam figuring).
Cordialement,

[LPFR]

Re.
Je ne connaissais pas le Ion Beam Figuring. Je ne me suis servi (il y a bien longtemps) du bombardement ionique que pour décaper des surfaces.
Le fait d’utiliser les ions, diminue la limite à la rugosité à la taille des ions (ou aux « trous » qu’ils créent en arrachant des morceaux). Ce qui est bien plus petit que la poudre de diamant la plus fine.
Par contre je ne vois pas en quoi le fait de décaper avec un faisceau, donne une surface plate. Je comprends que si on a fait des mesures de la surface d’origine on peut doser le décapage pour obtenir une surface voulue (figuring). Mais je ne vois pas pourquoi les parties saillantes seraient plus érodées que les parties en creux.
A+

[invite06459106]

Je ne pourrais en dire plus, j'ai vu il y a quelques jours sur RMC découverte (je crois), une émission: les défis de constructions, sur l' observatoire russe Kech, ou cela était expliqué...peut-être que cela est possible de voir cela en replay...désolé.
Cordialement,

[coussin]

Notre labo commande ses miroirs au LMA. Peut-être y a-t-il quelques infos sur leur site.

[LPFR]

Bonjour.
Dans le site du LMA (curieux que le IN2P3 se soit lancé dans ce domaine), on n’explique rien. Mais de toute évidence ils ont du savoir faire et des moyens :

Nouveau : Interférométrie par couplage de zones à l'aide de l'interféromètre Phase-Shift. Possibilité de mesurer des front d'onde avec une sensibilité de 0,4 nm RMS jusqu'à 400 mm de diamètre. Cette option a été développée en collaboration avec la société MB OPTIQUE.

Reste à trouver des explications sur les deux techniques. Car mesurer moins de 1/1000 de lambda ce n’est pas banal.
Au revoir.

[coussin]

Pour collaborer avec le LMA, je sais qu'ils sont très secrets (genre, faut signer des clauses de confidentialité pour un oui ou pour un non)...

[stefjm]

Dans le site du LMA (curieux que le IN2P3 se soit lancé dans ce domaine), on n’explique rien. Mais de toute évidence ils ont du savoir faire et des moyens :

In2P3, Lapp (université de Savoie) et Virgo (interféromètre Michelson)
http://lapp.in2p3.fr/spip.php?rubrique161

[Jaunin]

Bonjour,
Peut être le 4 novembre.
Cordialement.
Jaunin__

http://television.telerama.fr/tele/d...on11296864.php

[LPFR]

Bonjour Jaunin.
Merci.
Je vais essayer d’enregistrer la rediffusion.
Mais je ne pense pas qu’un documentaire grand public réponde aux questions que je me posais.
Notamment pourquoi un bombardement ionique uniforme dans une région rendrait la région plus plane.
Ni la description du fonctionnement de « l’ Interférométrie par couplage de zones à l'aide de l'interféromètre Phase-Shift ».
Cordialement,

[Lepton]

Merci pour les réponses !