Friction et interactions moléculaires

[invite14cee04b]

Bonjour,
en ce moment, je lis un livre (passionnant ) sur l'approfondissement de la méca.
Cependant, à un moment, l'auteur fait allusion aux interactions moléculaires pour montrer que le frottement deux surfaces même lisses fait aussi l'objet de résistance. Pour expliquer un tel fait il met en avant les liaisons de Van der Vaal, les liaisons hydrogène... (tout le panel) mais sans aller vraiment au bot de la réflexion.
Cependant, ça me paraît être un peu gros comme histoire ; tout en sachant que les liaisons entre les molécules sont plutôt faibles en général (excepté dans le cas d'un solide ionique bien entendu).
Qu'en pensez vous ?
Merci d'avance pour votre réponse !

Blender82
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[invitefc7d7ed3]

Qu'y a-t-il à part les molécules/atomes de chaque surface pour interagir ? Quand on exerce une force macroscopique, on voit en réalité la somme d'un nombre astronomique de forces microscopiques entre molécules.
D'ailleurs la force entre molécules est faible à grandes distances (dans l'air par exemple la distance typique inter-moléculaire est suffisante pour que cette force soit peu importante) mais il y a un cœur très fortement répulsif, si bien qu'une collision tête à tête dans un gaz peut être vue approximativement comme une collision entre sphères dures. Pour un objet posé sur une surface, il y aura aussi ce genre d'interactions entre les molécules qui "dépassent" de chaque coté car elles sont très proches les unes des autres.

Je n'ai pas vraiment d'idée pour un modèle microscopique simple du frottement solide. Mais si c'est le fait que les interactions moléculaires à elles seules sont capables d'expliquer le frottement qui te pose problème, tu peux déjà faire le calcul "naïf" du frottement dans l'air d'un solide en mouvement :
Considère un solide (lourd devant la masse d'une molécule dans l'air), se déplaçant à vitesse constante. Dans son référentiel, les molécules de l'air arrivent à vitesse constante et sont réfléchies parfaitement (parce que ces molécules sont beaucoup plus légères et que les collisions peuvent être vues comme des collisions d'une sphère dure sur la surface du solide). La variation de quantité de mouvement subie par le solide lors d'un choc est l'opposée de celle subie par la molécule. Connaissant la densité de molécules dans le gaz, tu connais le nombre de collisions par seconde subies par le solide et donc la variation par unité de temps de son impulsion, soit la force subie.

Tu verras que si la force crée par une molécule est infime, la quantité immense de molécules fait qu'au total la force est non-négligeable. C'est quelque chose de similaire qui se passe dans le frottement solide : on a une force créée par une seule aspérité qui est ridicule, mais l'union fait la force.

[invite6dffde4c]

Bonjour;
La friction avec un fluide est relativement simple à comprendre car il s'agit de la viscosité et du transfert de moment entre couches successives de gaz ou de liquide.

Les explications pour le frottement sec (entre solides) sont toujours plus vaseuses. Les forces intermoléculaires jouent certainement un rôle, mais elles ne sont pas dissipatives et n'expliquent pas, par elles mêmes, le frottement.
La seule explication que j'ai trouvée crédible, est celle ou les "collines" à la surface d'un des solides accrochent les "collines" de l'autre et les déforment. Quand les collines se décrochent (soit à cause de la déformation ou parce que le solide a "remonté" la colline), alors l'énergie élastique accumulée dans la déformation des collines est libérée sous forme de vibration qui finit par se transformer en chaleur.
Mais cette explication ne colle pas avec toutes les observations. Car, dans ce cas, c'est l'état de la surface qui devrait être le paramètre le plus important. Or, la nature même de la substance est encore plus importante.
Au revoir.

[invite93279690]

Salut,

On peut voir cela comme la formation de liaison moléculaires entre les deux surfaces : si on n'exerce pas de force de cisailement sur les matériaux, rien ne bouge, chaque molécule d'une des deux surface est dans un puit d'énergie et n'a pas envie d'en bouger. Pour sortir de ce puit il faut un travail et donc une force, mais il suffit d'arreter cette force pendant un temps très court (de l'ordre de la nanoseconde je dirais) pour que le système commence à relaxer dans un nouveau puit et ainsi de suite.
Ca ne me semble pas très éloigné de la vision d'LPFR mais juste à l'échelle moléculaire. La relaxation en question est due selon moi au fait que la formation partielle de laisons avec les molécules d'une surface opposée excite les électrons des molécules de la dite surface voire déplacent les noeuds du réseau de la surface (cf la réponse d'LPFR). Cette excitation est ensuite dissipée par des processus complexes de relaxation électronique et/ou élastique.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite14cee04b]

D'abord merci pour vos réponses.
Donc, si je relate l'ensemble des apports que vous m'avez fait, j'en déduit que la force intermoléculaire est négligeable dans le cas des frottements (cela dit elles existent quand même).
Par contre, je suis d'accord et je me baserai plus sur l'explication de LPFR pour décrire les frottements entre deux solides.
C'est une chose que j'avais bien intégrée (en effet, c'est évident ).
Seulement, aujourd'hui, nous sommes désormais capables de créer des surfaces hyper lisses à l'échelle de l'atome.
Mais dans ce cas comment les surfaces se comportent-elles lors d'un frottement ? Glissent-elles l'une sur l'autre "sans" résistance ?
Qu'en pensez vous ?

Blender82

[invite6dffde4c]

Bonjour.
C'est plus compliqué que ça.
À l'air libre, n'importe quelle surface propre, par exemple, qui vient d'être clivée, se recouvre d'une couche de saleté en moins dune nanoseconde. Cette couche de saleté est formée par des molécules de gaz de l'air et elle s’enrichit en hydrocarbures avec les microsecondes qui passent.
Donc, le seul moyen d'avoir une surface propre est de la garder sous ultravide. Et encore ! À 10^-11 Pa, elle ne reste propre que pendant 20 minutes.
Je peux vous raconter une anecdote. J'avais fait construire un dispositif qui bougeait destiné à fonctionner sous ultravide. C'était une tige qui oscillait guidée par un tube. Je le testai pendant des heures à l'air libre et il fonctionna sans problème. Une fois sous ultravide il ne fonctionna même pas pendant une seconde. La tige se coinça dans le tube. À l'air libre, l'air et la saleté lui servaient de lubrifiant. Sous vide pas de lubrifiant.
La morale est que le comportement des surfaces dépend de la couche de saleté invisible (quelques couches atomiques) qui les recouvre.
Au revoir.

[invite93279690]

D'abord merci pour vos réponses.
Donc, si je relate l'ensemble des apports que vous m'avez fait, j'en déduit que la force intermoléculaire est négligeable dans le cas des frottements (cela dit elles existent quand même).
Par contre, je suis d'accord et je me baserai plus sur l'explication de LPFR pour décrire les frottements entre deux solides.
C'est une chose que j'avais bien intégrée (en effet, c'est évident ).
Seulement, aujourd'hui, nous sommes désormais capables de créer des surfaces hyper lisses à l'échelle de l'atome.
Mais dans ce cas comment les surfaces se comportent-elles lors d'un frottement ? Glissent-elles l'une sur l'autre "sans" résistance ?
Qu'en pensez vous ?

Blender82

Je pense que tu n'as pas bien lu ni les remarques ni ton bouquin. Il existe certes de la friction solide dont l'origine est quasi macroscopique et qui engendre essentiellement une sorte d'érosion des matériaux mais pour les applications industrielles modernes, ce n'est absolument pas ce type de friction évidente qui est en cause. L'origine physique de la friction solide entre deux surfaces lisses n'est pas claire mais fait certainement intervenir les aspects moléculaires de la surface.

Par exemple tu sais bien que si tu prends une règle en plastique et la frotte contre tes cheveux, tu vas électriser ta règle. C'est bien parce que tu as arraché des électrons à l'une des surfaces et cela a un coup qui participe à la friction mesurée.

Un papier très récent a proposé par exemple un modèle thermodynamique très simple basé sur une description via des tensions de surface. Les résultats qualitatifs et quantitatifs sont apparemment très concluants. En particulier, les coefficients de tensions de surface sont reliés aux energie de liaison associées à chaque interface (surface 1- surface 2, surface 1-air, surface 2 - air).
Après la Nature est toujours compliquée que ce qu'on imagine et c'est probablement les deux images qui sont valides comme l'ateste cet autre papier un peu moins récent .