Caractérisation des mécanismes d’accrochage décrochage dans le frottement des mousses

Mise en évidence des mécanismes locaux d’accrochage/décrochage 

Additivité des effets des événements

locaux à l’interface frottante

Nous recherchons des événements dissipatifs locaux répartis à l’interface pour expliquer l’origine du frottement des mousses. On s’attend à ce que ces événements soient d’autant plus nombreux que l’aire de la surface de frottement est grande (N ∝ A) et qu’ils soient additifs  hΓi ρ1 ∝ N  . Ce qui fait qu’on s’attend à avoir une force de frottement moyenne extensive en aire. Est-ce bien le cas ? Pour le vérifier, on réalise des expériences de frottement anneau contre disque (protocole au chapitre 2 §2.2.3) où l’on fait varier l’aire de l’anneau d’un facteur 5 (description géométrique au chapitre 2 §2.2.2). On mesure pour chaque surface d’aire différente la force moyenne en régime stationnaire, pour un enfoncement ∆z = 1 mm et une vitesse de rotation Ωz = 5 ◦ s −1 . On obtient ainsi la courbe de la figure 3.1. FIGURE 3.1 – Extensivité de la force de frottement moyenne en régime stationnaire hΓi ρ1 avec l’aire de la surface frottante A (pente : 2.78(11) ×103 N m−2 ). On observe, conformément à notre hypothèse, que la force de frottement est proportionnelle à l’aire de contact apparente : hΓi ρ1 ∝ A (3.1) La phénoménologie du frottement des mousses est donc bien compatible avec un modèle à partir d’événements dissipatifs interfaciaux d’accrochage et de décrochage.On remarque par ailleurs que, de manière originale, le frottement des mousses ne suit pas la loi d’Amontons-Coulomb. En fait, comme nous l’avons vu au chapitre 1 §1.1.1, le caractère coulombien du frottement est communément considéré comme une conséquence de la rugosité des surfaces (Greenwood et Williamson [16]), plus exactement du caractère statistique de la distribution en hauteurs des aspérités de surface qui conditionne l’aire réelle de contact. Les surfaces de mousses ne possèdent pas de macro-rugosité statistique à des échelles supérieures à la taille de la cellule. En conséquence, le contact mousse/mousse que nous étudions ici peut être assimilé à un modèle d’interface lisse au sein de laquelle la dissipation est régie par des interactions localisées au sein du contact intime entre les surfaces. Si l’on se réfère à la description classique de Bowden et Tabor [17], on peut dire que notre modèle de mousse vise à transposer à une échelle mésoscopique les phénomènes dissipatifs moléculaires constituant le terme « interfacial » (ou « adhésif ») du frottement, en l’absence donc d’effets liés aux déformations des aspérités de la surface rugueuse (le terme de « déformation » du modèle). Les mécanismes interfaciaux que l’on cherche correspondent à des sauts intermittents entre un état accroché et un état décroché à l’intérieur du contact. Retrouvet-on la trace de cette intermittence à l’échelle macroscopique dans les fluctuations de la force de frottement ?

Confirmation de la reproductibilité des fluctuations de la force de frottement en rotation

La reproductibilité des fluctuations de la force de frottement a déjà été établie dans une configuration linéaire (chapitre 1 §1.2.2). Il s’agit ici de confirmer qu’il en va de même en rotation. Sur le même couple anneau/disque (R = 55 mm, ∆R = 8 mm), on réalise trois expériences de frottement successives à ∆z = 1 mm et Ωz = 5 ◦ s −1 . Entre chacune d’elles, on incrémente de ∆θ = 10◦ la position initiale relative entre le disque et l’anneau. On mesure les fluctuations de la force de frottement en régime stationnaire en fonction de la position relative du disque et de l’anneau. On présente les fluctuations de ces trois signaux en figure 3.2, et plus en détail en figure 3.3. On observe que les trois signaux de frottement sont superposés pour l’essentiel : pour une même position relative Rθ donnée du disque et de l’anneau, on enregistre quasiment le même niveau de force, quelle que soit la position initiale angulaire relative entre les deux échantillons. Pour le confirmer, on calcule la corrélation croisée entre les trois signaux précédents (figure 3.4). La position angulaire des pics de corrélation correspond bien au décalage angulaire initial entre le disque et l’anneau. On montre donc que les fluctuations de la force de frottement sont reproductibles. Les signaux de force dépendent de l’histoire récente de frottement (les fluctuations n’apparaissent pas au même endroit si l’on fait deux expériences de frottement avec des déplacements de directions opposées). La reproductibilité des fluctuations de force indique qu’on reproduit bien en chaque position la même histoire récente de frottement. Cette caractéristique est compatible avec les événements dissipatifs que l’on cherche.