Mécanique newtonienne

Force de frottement

Mesurez le frottement cinétique sur un plan incliné en faisant varier l'angle, le coefficient et la masse. Vérifiez $F_f=\mu_k N$ avec $N=mg\cos\theta$ et la condition de glissement $\tan\theta>\mu_s$ .

Collège

Matériel

Modèle 3D d'un bloc glissant sur un plan incliné
Curseurs d'angle θ, de coefficient μ et de masse m
Affichage de l'accélération, vecteurs de force et bouton Reset

Protocole

Déterminer l'angle de glissement
Fixez μ = 0,2 et la masse à 5 kg, puis augmentez « Angle θ » jusqu'au début du glissement. Notez l'angle critique θ_c et vérifiez $\tan\theta_c=\mu_s$ : pour μ = 0,2, θ_c ≈ 11°.
Mesurer l'accélération de glissement
À angle fixe de 30°, faites varier μ par paliers et lisez l'accélération. Vérifiez $a=g(\sin\theta-\mu_k\cos\theta)$ : à θ = 30°, μ_k = 0,2 donne a ≈ 3,3 m/s² ; μ supérieur à tan θ signifie pas de glissement.
Vérifier le rôle de la masse
À θ et μ fixes, faites varier « Masse m » de 1 à 20 kg. L'accélération mesurée ne change pas car $a=g(\sin\theta-\mu_k\cos\theta)$ ne contient pas m — poids et frottement, tous deux proportionnels à m, se compensent ; « Reset » puis relancez pour confirmer.
Prévoir avant de mesurer
Choisissez θ = 45°, μ = 0,3 et calculez à la main $a=g(\sin45°-0.3\cos45°)\approx 4.8$ m/s² avant de lire l'affichage. Après vérification, ajustez μ pour que le bloc tienne puis glisse lentement ; notez le seuil et reliez-le à l'expérience de pousser un meuble : démarrer est plus dur car $\mu_s>\mu_k$ .

Simulation

Histoire de l’expérience

Léonard de Vinci nota vers 1493 que le frottement croît avec la charge et ne dépend pas de l'aire de contact, mais ses cahiers restèrent inédits. Guillaume Amontons redécouvrit ces règles en 1699 devant l'Académie française, et Charles-Augustin de Coulomb distingua en 1781 frottement statique et cinétique — le modèle «de Coulomb»

F_f=\mu N

toujours en usage. Le mécanisme microscopique fut élucidé bien plus tard : Bowden et Tabor (années 1940–50) montrèrent que le contact réel se limite à des aspérités microscopiques, d'où la proportionnalité à la charge plutôt qu'à l'aire apparente. Le modèle reste une approximation : lubrification, adhérence et stick-slip exigent des théories plus riches.

Physiciens associés

Isaac Newton Galileo Galilei Charles-Augustin de Coulomb

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