Tribologie
La tribologie (du grec ancien Modèle:Grec ancien, « frottement » et Modèle:Grec ancien, « science, étude ») est la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire entre deux systèmes matériels en contact, immobiles ou animés de mouvements relatifs. Ce terme recouvre, entre autres, tous les domaines du frottement, de l’usure, de l'étude des interfaces et de la lubrification<ref>Définition de la tribologie, sur le site fr.wiktionary.org.</ref>.
C'est une branche du génie mécanique et de la science des matériaux qui a des applications concrètes en archéologie, dermatologie, cosmétique, dans l'industrie, les transports et la biomécanique.
Ce terme désigne aussi la discipline psycho-physiologique qui étudie comment les êtres vivants perçoivent les frottements dont ils sont le siège et les vibrations qui en résultent.
Histoire
Malgré la désignation relativement récente du domaine de la tribologie, des études quantitatives sur les frictions peuvent être datées dès 1493, lorsque Léonard de Vinci a noté pour la première fois les deux « lois » fondamentales des frottements :
- la résistance au frottement est la même pour deux objets différents de même poids, mais ayant des largeurs et des longueurs différentes ;
- Il a également observé que la force nécessaire pour surmonter le frottement double alors que le poids double.
Les deux « lois » fondamentales du frottement ont été publiées pour la première fois en 1699 par Guillaume Amontons, à qui elles sont désormais généralement associées :
- la force de frottement agissant entre deux surfaces de glissement est proportionnelle à la charge qui presse les surfaces ensemble ;
- la force de frottement est indépendante de la zone de contact apparente entre les deux surfaces.
Bien qu’elles ne soient pas universellement applicables, ces déclarations simples s’appliquent à une gamme étonnamment étendue de systèmes. Ces lois ont été développées par Charles-Augustin de Coulomb en 1785, qui a remarqué que la force de frottement statique peut dépendre du temps de contact et que le frottement (cinétique) peut dépendre de la vitesse de glissement, de la force normale et de la surface de contact.
En 1798, Charles Hatchett et Henry Cavendish ont réalisé le premier test fiable sur l'usure par frottement. Dans une étude commandée par le Conseil privé du Royaume-Uni, ils ont utilisé un simple appareil alternatif pour évaluer le taux d'usure des pièces d'or. En 1953, Modèle:Lien développa l’Modèle:Lien qui décrit l’usure par glissement et qui est basée sur la théorie du contact d’aspérité.
L'examen du phénomène de dilatance des empilements granulaires remonte à O. Reynolds (1885). Son interprétation du phénomène repose sur la théorie de Coulomb. À titre heuristique, Reynolds adopte l'angle de talus naturel comme angle de frottement entre grains.
Les autres pionniers de la recherche tribologique sont le physicien australien Frank Philip Bowden et le physicien britannique David Tabor, tous deux membres du Laboratoire Cavendish de l'université de Cambridge. Ensemble, ils ont écrit le manuel fondamental Modèle:Lang (la première partie a été publiée en 1950 et la deuxième partie en 1964).
Michael J. Neale a été un autre chef de file du milieu des années 1900. Il s'est spécialisé dans la résolution de problèmes liés à la conception de machines en appliquant ses connaissances en tribologie. Neale était un éducateur respecté, doué pour l'intégration de travaux théoriques avec sa propre expérience pratique afin de produire des guides de conception faciles à comprendre. Le Modèle:Lang, qu'il a publié pour la première fois en 1973 et mis à jour en 1995, est toujours utilisé dans le monde entier et constitue la base de nombreuses formations pour les concepteurs en ingénierie<ref>Modèle:Lien web.</ref>.
Modèle:Lien de l'université de Leeds a étudié l'histoire de la tribologie dans son livre paru en 1998, Modèle:Lang (Modèle:2e). Cela couvre les développements de la préhistoire aux premières civilisations (Mésopotamie, Égypte antique) et met en lumière les principaux développements jusqu'à la fin du Modèle:Lien siècleModèle:Vérification siècle<ref>Modèle:Lien web.</ref>.
En 2016, une étude britannique de la partie des carnets de Léonard de Vinci traitant de la tribologie a été réalisée<ref group=Note>Le Codex Atlanticus, le Codex Arundel, le Codex Forster, les deux Codex Madrid, les carnets conservés à l'Institut de France ainsi que quelques éléments se trouvant dans le Codex Windsor</ref>. Ian M. Hutchings, professeur à l’université de Cambridge a démontré<ref>Modèle:Lien web.</ref> que Léonard De Vinci avait déjà compris, Modèle:Nobr avant Guillaume Amontons, les lois du frottement (l'Modèle:Lang) et ses applications physiques. Il a découvert en particulier, entre des esquisses de schémas la phrase suivante : Modèle:Citation<ref>Modèle:Lien web.</ref>.
La page du Codex Forster<ref group=Note>Le Codex Forster est conservé au Victoria and Albert Museum de Londres</ref>, dans laquelle se trouvait cette phrase<ref group=Note>« Modèle:Lang »</ref>, parmi des gribouillis sous-estimés jusqu'à présent, avait été analysée en 1920 par un directeur de musée, qui l'avait jugée Modèle:Citation<ref>Modèle:Lien web.</ref>,<ref>Modèle:Lien web.</ref>.
Physique
Types d'usure
On distingue plusieurs types d’usure<ref>« La tribologie permet d’économiser de la matière et de l’énergie », sur techniques-ingenieur.fr.</ref>, auxquels la tribologie s'intéresse :
- usure par adhésion (arrachement de matériaux adhérents l'un à l'autre) ;
- usure par abrasion ou érosion, où des particules extérieures, par frottements ou chocs, ôtent de la matière en surface ;
- usure par fatigue, due à l’action répétée de contraintes à la surface, typiquement des pressions ou chocs ;
- usure par tribocorrosion.
Quelques aspects
Les manifestations du frottement sont intégrées à nos comportements quotidiens. Dans un monde qui ne connaîtrait ni frottement ni adhérence, nos gestes les plus simples deviendraient pour la plupart inopérants : tenir un crayon, lacer ses chaussures, serrer une vis, appuyer une échelle au mur ou tout simplement marcher. Il n'y aurait ni bicyclettes, ni automobiles, ni trains (excepté les trains à sustentation), du moins sous la forme actuelle.
De nombreux sports cherchent à maîtriser les frottements, dont le curling et beaucoup de sports d'hiver et de sports de glisse.
À l'inverse, on est en général conscient des inconvénients du frottement, source d'usure ou d'efforts supplémentaires à fournir pour un même travail, donc de gaspillage d'énergie et de matières premières.
Voici quelques exemples.
- À masse roulante égale, pour vaincre les frottements, Modèle:Citation<ref>Modèle:Lien web.</ref>, deux ou trois fois plus, selon la SNCF<ref>Modèle:Lien web.</ref>.
- Il est admis de façon empirique<ref>Études menées par l'American Association of State Highway and Transportation Officials en 1961 et actualisées en 1972 et 1993.</ref> que l'usure des revêtements routiers souples varie comme la quatrième puissance<ref>https://archive.wikiwix.com/cache/20141011152646/http://wiki.pavementinteractive.org/index.php?title=ESAL.</ref> de la charge à l'essieu. Ainsi le passage d'un camion de treize tonnes<ref>Valeur maximale autorisée en France à l'essieu, voir Article R312-5 du code de la route.</ref> à l'essieu dégraderait autant la route que le passage de Modèle:Nb légers d'une charge à l'essieu moyenne de Modèle:Nobr ((13/0,65)4 = 160 000). En pratique, un véhicule de quarante tonnes sur cinq essieux dégrade autant le revêtement routier que Modèle:Nb légers ; un véhicule de Modèle:Nobr sur cinq essieux autant que Modèle:Nb légers environ (10 % de hausse du tonnage à l'essieu correspond à une hausse d'environ 46 % de l'usure : Modèle:Nobr). Le calcul des revêtements autoroutiers tient compte presque uniquement des poids lourds, les automobiles intervenant très peu ou pas du tout. Au Canada, conscient de ce fait, le gouvernement a récemment modifié la répartition du produit des taxes sur les carburants en considérant que « le gazole est utilisé principalement par les véhicules lourds responsables de la majeure partie de l'usure des routes<ref>Lire en ligne, sur bv.transports.gouv.qc.ca.</ref> ». À noter que l'usure des revêtements routiers rigides varie selon un facteur supérieur (de l'ordre de 12).
- Les composants des machines et des équipements sont beaucoup plus souvent détruits par l'endommagement de leur surface que par la dislocation de leur volume. D'un côté, c'est heureux, car la rupture d'une pièce peut provoquer de graves accidents, alors que la dégradation lente provoquée par l'usure laisse le temps d'intervenir. La maîtrise de l'usure est une pensée économique qui consiste depuis 1960 à ne plus réparer les objets produits (garantie manufacturière et obsolescence) : dans un objet technique, toutes les composantes ne subissent pas les mêmes contraintes et il est devenu important d'éviter les « sur-qualités », que l'on peut qualifier d'onéreuses dans le processus de fabrication (composants en parfait état Modèle:Incise alors que le reste est très usé).
L'incommensurabilité désigne la non-coïncidence de la quasi-totalité des sites atomiques de deux réseaux cristallins frottant l'un sur l'autre. Par exemple pour deux réseaux cubiques, cette configuration est obtenue au mieux lorsque les surfaces sont décalées de Modèle:Nobr l'une par rapport à l'autre. Elle est une condition de possibilité de la Modèle:Lien au cours de laquelle les frottements deviennent extrêmement faibles<ref>Dans le wikilivre de tribologie, se référer en particulier aux chapitres traitant de la genèse des frottements et des lubrifiants solides.</ref>.
Équipes de tribologie dans le monde
- École Centrale de Lyon, LTDS
- INSA Lyon, LaMCoS<ref>LaMCoS.</ref>, Équipe TMI (Tribologie et Mécanique des Interfaces)
- Université de Poitiers, Institut P'Prime<ref>Institut P'Prime.</ref>
- Leeds University, Faculty of Engineering and Physical Sciences
- ISAE-Supméca, Laboratoire Quartz
Évènements internationaux dans le domaine de la tribologie
- Leeds-Lyon Symposium on Tribology (organisé chaque année en alternance entre Lyon en France et Leeds en Grande-Bretagne).
- African Congress in Tribology (organisé tous les trois ans dans un pays d'Afrique).
- Latin American & Carribean Tribology Conference.
- STLE (organisé chaque année au États-Unis).
- World Tribology Congress.
- Tribology Frontiers Conference.
Notes et références
Références
Voir aussi
Modèle:Autres projets Modèle:Catégorie principale
Bibliographie
- Modèle:Ouvrage.
- Modèle:Ouvrage.
- Jean-Jacques Milan, Tribologie Fichier:Wikibooks-favicon.png.
- {{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Persson, Bo N.J., Sliding Friction: Physical Principles and Applications, Modèle:2eModèle:Éd., Springer, 2002 Modèle:ISBN. (In diesem Buch werden viele Reibungsinstabilitäten in geschmierten und trockenen Reipaarungen untersucht).
- {{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Rabinowicz, Ernest, Friction and Wear of Materials, Modèle:2eModèle:Éd., Wiley-Interscience, 1995, XV-315Modèle:Nb p. Modèle:ISBN.
- {{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Valentin L. Popov, Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation, Springer, Berlin, New York, 2009, 328 S. Modèle:ISBN.
- Modèle:Ouvrage.
- Modèle:Ouvrage : Compilation.
