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La Tribologie

Approches physiques du frottement

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La tribologie

La tribologie est la science des frottements

Frottement : () Force qui soppose auglissement dune surface sur une autre (dictionnaire Le Robert)

Deux objets, une surface, quelle rsistance ?

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Le frottement au quotidien

Craquer une allumette, se frotter les mains,freiner, couter du violon, faire du ski, etc.,etc.,

Le frottement est associ la perception denotre environnement.

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De tout temps, lhomme etc.

Contourner les efforts de frottement a stimul limaginationhumaine !

Uruk, Msopotamie,3000 avant J.C.

Pictogramme chinois1500 avant J.C.

Age de pierre (Norvge)

Dplacement dune statue gyptienne,~1880 avant J.C.

Dowson, History of tribology

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Le frottement au cur de la technologie

Rolls-Royce 2005

Rolls-Royce 2005

Le frottement source dusure, de rupture des picesmcaniques, mais permet de freiner, davancer,

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et des bio-technologies

Prothse artificielle(hanche)

Le liquide synovial permetun frottement rduit

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Plus ou moins de frottement ?

On veut souvent lliminer : parexemple pour rduire la consommation

dessence, et dnergie en gnral On ne peut pas faire sans : avancer,

freiner, tenue de route

Comprendre son origine pour le matriser

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Ce dont on va parler

!Les lois phnomnologiques dufrottement, et leurs manifestations

!Vers une comprhension microscopique!Les lubrifiants

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Les lois du frottement

Le frottement : rsistance au mouvement

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C.A. Coulomb

Les lois de Coulomb

! Force de frottement statique : au repos

FT ! FMAX " #S NForce N

Force FT!Force de frottement dynamique :

vitesse constante

FT " D N!#S et #D sont indpendants de la surface

# coefficients de frottement

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Les coefficients de frottement

Sur des surfaces usuelles, les valeurs typiquespour les coefficients de frottement varienttonnamment peu

Mais il est possible de concevoir des surfacesavec des coefficients beaucoup plus petits

ou plus grands

#! 0.3$ 0.7

#! 0.001% #&1

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Des lois simples, des manifestations complexes

Le stick-slip : rsiste/glisse

FF

dplacement

Fmax=#S Mg

Fmoyen=#D Mg

intervient lorsque lon couple un systme frottantavec un ressort

# ! #

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Le stick-slip lchelle plantaire

Les tremblements de terre

Niigata (Japon), 1964 : M=7.4

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Des tentatives de modlisation

Carlson-Langer, 1989

Des solutions trs irrgulires,chaotiques

Burridge-Knopoff, 1967

Des comportements trs complexes la recherche de modles simples

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Lnergie libre

On relche lnergie de dformation lastique

E ! #'XH

()

*)+)

,)

-).)/HL

0)

1)2)

3)

4)5)/ 'X

Un exemple pour fixer les ides :'X~ 10m, H~ 10km, L=10km, G~ 1010Pa " E~ 1016 J

H L

H

'X

#=module lastique de cisaillement

E=Force x dplacement

E ! 10

561.44M

(en Joules)M magnitude sur lchelle de Richter

San Francisco (1906) : M=7.6, E~1016 J

Sumatra (2004) : M=9.3, E~1018 J

Hiroshima : E~1013 J

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Le stick-slip pour les oreilles

Le stick-slip est associ un mouvement priodique# produit du son !

Du crissement (pneus, freins, craie, )

aux cordes frottes

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Les cordes frottes

SLIPSTICK

Le frott : une multitude de pizzicato (corde pince)

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Stick-slip aux chelles atomiques ?

Microscope force atomique : AFM(Binnig 1986)

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Du stick-slip molculaire

Imagerie et frottement : un exemple : surface atomique de fluorure de Potassium(KF) sous ultravide la pointe rsiste et glisse sur les atomes

6 nm

Du stick-slip mais une origine diffrente de Coulomb

Salmeron, Berkeley, 1998

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Comprhension molculaire ?

Au-del des lois de Coulomb, de nombreusesquestions subsistent :

!quelle est lorigine microscopique dufrottement ?! pourquoi les coefficients de frottement sont

indpendants de la surface des objets ?!

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Retour sur lhistorique : Lonard

Lonard de Vinci (1452-1519)

Description des lois du frottement 200 ans avant Coulomb

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Guillaume Amontons

Guillaume Amontons (1663-1705)

1699

Ses expriences lui permettentde comprendre les lois du

frottement

Premires tentatives dexplicationen terme de rugosit et daspritslastiques

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Charles Augustin Coulomb

1736-18061780 : Coulomb crit son mmoire Thorie des machines simples,eu gard au frottement de leurs

parties, et la raideur des

cordages Etude trs dtaille du frottementsuivant la nature des matriaux,etc

Il discute leffet de ladhsion

FT " #F 6 cA

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La rugosit de surface ?

La rugosit trouve son origine dans la rugosit de surface

Coulomb (1785)

Belidor (1737)

Surface de Mica (image AFM)

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Embotement des rugosits

Force NForce T

T " #S NBilan des forces : mouvement quand

#S " tan(7)Avec en plus lexpression , 7 est la pentede la rugosit

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Mais largument est biais

Le cas prcdent suppose lembotement parfait dessurfaces : commensurabilit

Ce nest pas le cas gnral : incommensurabilit

Deux surfaces commensurables Deux surfaces incommensurables

F bili

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Frottement et commensurabilit

Il a t prdit et vrifi rcemment que les surfacesincommensurables ont un coefficient de frottement nul

#S 8 0Surfaces commensurables :#S " 0Surfaces incommensurables :

En gnral on doit obtenir un frottement nul ?

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Vrification exprimentale

Pointe de tungstne W frottant sur dusilicium Si [001] Surfaces parfaites exprience sous ultravide (P ~ 10-9 Pa)

Mesures exprimentales en utilisant un microscope effettunnel (Hirano and Shinjo, Physical Review Letters 1997)

Le frottement disparat lorsque les deuxsurfaces sont incommensurables !

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Manips de Frenken

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Le rle crucial des contaminants

Les rsultats prcdents reposent surlhypothse de surfaces parfaites, sansaucune pollution

Cest faux en pratique !

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Simulations molculaires

Travaux de Robbins et coll. (Science, 1999) : simulationsnumriques de la dynamique molculaire des surfaces encontact

La prsence de contaminants mobiles suffit retrouver

du frottement sur les surfaces incommensurables !Le frottement idal nexiste pas en pratique !Il faut prendre en compte les impurets

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Vers le troisime corps

Le frottement ninclut pas seulement les deuxsurfaces : il faut prendre en compte lensembledes corps intersticiels.

Origine : contaminants, molcules adsorbes,dbris dusure, poussires, etc.

Cest le troisime corps M. Godet (1930-1993)INSA Lyon

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Le mystre des surfaces

Un point est rest mystrieux pendanttrs longtemps :

Pourquoi les coefficients de frottements

sont-ils indpendants des surfaces ?

-Lonard de Vinci -

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Surface relle/surface apparente

Les surfaces naturelles sont trs rugueuses :les points de contact sont trs pars

Surface apparente

F. Bowden(1903-1968)

Zones de contact rel : Surface relleAcier galvanis

S f d ll

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Surface de contact relle

Dieterich, Kilgore (1994)

Points de contacts rels

L. Bureau, T. Baumberger (2002)

Aire relle Aire apparente

E t d it

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Ecrasement des asprits

Aux trs grandes pressions, le contact devient plastique, lapression sature une valeur, la duret H (proprit dumatriau)

Laire relle augmente linairement avec la force normale

Arelle "N

asprits 9 H

Rq : on peut retrouver cette linarit partir dune distribution statistique decontacts lastiques (Greenwood)

FNLa force normale ne sapplique que sur les asprits(~ 10 #m) : elles subissent une trs grande pression

Pasprits "FN

Arelle&& Papparente "

FN

Aapparente

L l i d C l b t

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Les lois de Coulomb retrouves

Laire qui frotte est laire relle, pas laire apparente

#":Y

Ffrottement ":YArelle ":Y FN

Le coefficient :Y a la dimension dune force/surface :cest une contrainte (pression)

au niveau des asprits, la contrainte de cisaillement estconstante gale la contrainte seuil : :Y

on a utilis laire relle de contact : Arelle = FN/H

Un autre mystre : la contrainte seuil

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Un autre mystre : la contrainte seuil

Reste une question : pourquoi au niveaudune asprit, il existe une contrainteseuil non nulle, :Y ?

On retrouve le rle du milieu intersticiel

(Robbins 1999)

Cf: le rle des contaminants ausein du contact

Leur prsence conduit lexistence dune contrainte seuilnon-nulle !

L it d ili i t titi l

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Les proprits du milieu interstitiel

Les tudes les plus rcentes suggrent que le milieu

intersticiel au contact prsente des propritsspcifiques, entre liquide et solide : systme vitreux

micromtre

nanomtrecentimtre

Baumberger et al.

On doit descendre les chelles pour expliquer le frottement

Les milieux vitreux

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Les milieux vitreux

!Milieu dsordonn, entre solide et liquide!Ne coule pas au repos (solide)!Coule au-del dune contrainte minimale (seuil)

Ils sont omniprsents dans la vie quotidienne :verre, mousses, gels, dentifrice, milieuxgranulaires

De nouvelles pistes !

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De nouvelles pistes !

Vers une question bien pose :

La question du frottement aboutit ainsi lacomprhension de la rhologie des milieux

vitreux.

Objet dune intense recherche fondamentale, avecdes progrs trs rcents : dveloppement denouveaux outils exprimentaux et thoriques.

Dautres phnomnes

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D autres phnomnes

La discussion prcdente sest focalise sur lefrottement sec

mais le frottement ne se rduit pas a

La lubrification

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La lubrification

Pour limiter les frottements, on utilise deslubrifiants : huiles, graisses, etc.

1880 avant J.C.Ti, 2400 avant JC

Articulations du corps

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Articulations du corps

Pour fonctionner, les articulationsdoivent tre lubrifies

Arthrose : la dgradation du liquide synovial conduit

une baisse de viscosit, conduisant chute dupouvoir lubrifiant et un frottement lev

Les lubrifiants

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Les lubrifiants

Ils sont essentiels au bon fonctionnementdes pices frottantes : dans les moteurs,disque dur, genou

En gnral des liquides visqueux : huiles,graisses, mais aussi des adjuvants (plombdans lessence, polymres, )

Comment agit un lubrifiant ?

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Comment agit un lubrifiant ?

La force de frottement solide nest pasnulle mme vitesse nulle :

Par contre, les forces de frottementdues des fluides sontproportionnelles la vitesse relative V:

FT " #FN

FT "7V V90;) 9););) 0Cest le rle des lubrifiants

Eau ou huile : quel lubrifiant ?

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Eau ou huile : quel lubrifiant ?

Leau est trs souvent un mauvaislubrifiant, tandis que lhuile en est un trsbon

Pourtant la viscosit de leau est beaucoupplus faible que celle de lhuile ?!?

Il faut viter absolument le contact solide !

Rle essentiel du lubrifiant

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Rle essentiel du lubrifiant

Le rle central du lubrifiant est plutt dviter le contactdirect entre les solides

Le liquide empche les aspritsde se toucher directement

Forces de lubrification

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Forces de lubrification

les forces visqueuses empchent les asprits de se toucherForcevisqueuse

Vitesse VLasprit cre un champ des vitessesau sein du fluide lubrifiant : ce champ

cre des forces visqueuses quirepoussent lasprit

HF

visqueuse

!

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Auto lubrification

Un cas bien connu : le frottement des skis

Filmdeau

La chaleur produite par le frottement cre un film deau,sur lequel le ski vient surfer : cest du ski nautique !

Lubrification : simulations molculaires

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Les simulations de dynamique molculaire sont un

outil puissant pour comprendre les proprits des filmsliquides trs confins (nano-chelles)

Couche mince dhexadcane entre deuxsurfaces dor - Landmann et al. (2004)

Gao et al. (1995)

Les nouveaux outils exprimentaux

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p

Machine de Force de Surface (SFA)

Mesure des proprits des liquides lubrifiants au seindun contact unique, dans des conditions extrmes de confinement Nanotribologie

Vitesse V

Force FLiquide tudi dans un gap de

quelques microns langstrm!

SPHEREPLANE

MIRROR

CAPACITE

CANTIL

PIEZOELECTRIC

CRYSTALS

SPHEREPLANE

Mirror

Capacitor

Cantilever

Piezoelectric crystals

SFA dynamique, E. Charlaix et al. , Lyon

Etude des liquides trs confin,surfactants, etc

Frottement dans les films ultra-confins

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Stick-slip dans un film nanomtrique de 3-4couches molculaires de squalane (alcanebranch) mesur par SFA : le liquide devient solide

Drummond, Richetti

CONCLUSIONS

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La simplicit des lois de Coulomb contraste avecla complexit des phnomnes sous-jacents

Le frottement solide prend son origine aux pluspetites chelles Il rsulte dune multitude de phnomnes

interconnects (contaminants, lubrification, etc.)

Cette complexit a conduit au dveloppement denouvelles techniques dinvestigations

la recherche de surfaces super-lubrifiantes

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Tapis de nanotubes de carbone Surface super-hydrophobe~2 mm

LPMCN, Lyon

Leau glisse sur ces surfaces : frottement fluide trs rduit

Ce dont je nai pas parl

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j p p

Usure, abrasionVieillissement

Thermique Physico-chimiedes surfaces

FrottementPolymres etcaoutchoucBio-lubrification

Humidit Adhsion

Merci

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Juliette et Jean FaragoElisabeth CharlaixConservatoire de Paris