Force de cisaillement et friction

Pourquoi mon aimant au mur ne supporte pas le poids maximal indiqué dans la fiche produit ? La force maximale que l'on peut appliquer à un aimant sur une surface donnée dépend de la direction dans laquelle cette force est exercée. La force d'adhérence maximale que nous indiquons est valable pour une force des charges qui s'exerce perpendiculairement à la surface de contact (voir notre page sur les différents types de force d'adhérence). Mais si la force des charges s'exerce parallèlement à la surface de contact (sens du cisaillement), sa valeur maximale sera nettement plus petite (environ 15 à 25 % de la force d'adhérence indiquée). Lisez cette page pour en apprendre plus sur cette force de cisaillement, appelée aussi friction.

Peut-être avez-vous déjà pu observer ce phénomène : Lorsque vous essayez d'enlever un aimant en le tirant perpendiculairement par rapport à la surface de contact, vous avez besoin de plus de force que lorsque vous le faites glisser vers le côté. Une analogie : vous ne pourrez jamais soulever un bloc de béton, mais vous pouvez tenter de le faire glisser sur un sol lisse. Cette force latérale qui vous contraint est également appelée force de cisaillement, friction ou frottement.


Force de charge perpendiculaire

La force d'adhérence théorique indiquée pour chaque aimant est valable quand la force des charges s'exerce perpendiculairement à la surface de contact.

Que vous mettiez un aimant sur un sol ou un plafond métallique, la force nécessaire pour le retirer sera exactement la même. De même, ce n'est pas représenté sur le schéma ci-dessus, mais la force nécessaire pour retirer un aimant sur un mur métallique sera exactement la même, pour peu que vous tiriez de manière totalement perpendiculaire (à hauteur de l'aimant avec une corde accroché dessus).


Qu'est-ce que la friction ?

Le frottement (ou friction) est une interaction qui s'oppose au mouvement relatif entre deux objets en contact, Deux objets en contact, même parfaitement lisses, présentent des aspérités, des rugosités et des trous qui s'engrènent et se bloquent entre eux.

Blocs simulés avec des surfaces rugueuses fractales, présentant des interactions de frottement statiques - CaoHao - Wikipedia

 La force de frottement maximale dépend des facteurs suivants :

  • De la matière, le caoutchouc ne sera pas aussi glissant que l'acier
  • De la rugosité des deux surfaces de contact : plus les surfaces de contact sont rugueuses, plus la force de frottement maximale est élevée.
  • De la force de pression : plus la force avec laquelle les surfaces de contact sont pressées l'une contre l'autre est élevée, plus la force de frottement maximale est élevée

Explications

L'aimant ne fournit qu'une force dirigée vers la paroi en acier (le mur). Il ne s'oppose pas à l'attraction vers le bas de la gravité. Seul le frottement entre lui-même et le mur l'empêche de glisser vers le bas.

Comme dit précédemment, la force nécessaire pour détacher un aimant perpendiculairement à la surface, c'est-à-dire la force nécessaire pour contrer la force d'attraction magnétique de l'aimant, est nettement plus importante que la force nécessaire pour le faire glisser d'un mur parallèlement (c'est-a-dire contrer la force de friction).

Ces deux forces sont représentées sur le premier schéma par des flèches ainsi que des dynamomètres (instrument de mesure permettant de mesurer une force), on remarque bien que les directions de la force et les dynamomètres sont inversés pour évaluer la force produite.

Sur le second schéma, le poids maximal que vous pouvez fixer à un aimant latéralement dépend du coefficient de friction μ ainsi que de la force magnétique de l'aimant selon la relation Ff = Faμ :

  • Fa : force d'attraction magnétique
  • Fc : force des charges (typiquement l'objet que vous allez accrocher ou faire pendre à votre aimant)
  • Ff : force de friction
  • μ : coefficient de frottement statique

Sur le troisième schéma, on peut en déduire que :

  • Si Fc < Ff : l'aimant tiendra ainsi que sa charge
  • Si Fc = Ff : l'aimant et sa charge vont théoriquement tenir, mais il est plus probable qu'ils commenceront à glisser.
  • Si Fc > Ff : l'aimant et sa charge glissera rapidement, voir tombera d'un coup

Ff et Fc sont donc en réalité les deux faces d'une même pièce.


Comment estimer la force de friction du coup ?

Vous ne pourrez jamais avoir 100 % de la force magnétique parallèlement à une surface, car le coefficient de friction est généralement compris entre 0,15 et 0,25 pour la plupart des contacts métaux/métaux (dans notre cas, ce sera plutôt néodyme/métaux ou acier/métaux pour des aimants en pots).

Malheuresement, le coefficient de frottement varie énormément selon les deux matériaux utilisés et les éventuels graissages ou revêtements qui peuvent s'y trouver (peinture, enduit, saleté, si le matériau est rayé...).

Le coefficient de frottement est une mesure empirique - il doit être mesuré expérimentalement et ne peut pas être trouvé précisément par des calculs.

D'une manière générale, la règle est de compter 20 % de la force magnétique pour la force de friction :

  • Exemple 1 : vous avez un aimant avec une force d'attraction de 50 kilos, vous pourrez faire pendre un objet de 10 kilos. Si vous avez besoin d'aimants pour ce genre d'application, nous ne pouvons que vous conseillez le bon sens (ne pas prendre d'aimants trop gros ou trop petits par rapport à l'objet en question).
  • Exemple 2 : Disons que vous êtes pessimiste et vous avez un coefficient de 0,15 (15 %) avec un objet à suspendre de 2 kilos, 2 kilos divisé par 0,15 donne 13,3 kilos, vous devrez donc prendre un aimant avec une force d'attraction de 13.3 kilos ou 2 aimants de 6,6 kilos.
  • Le poids de l'aimant en lui-même devrait être ajouté dans le calcul, mais il est généralement négligeable (à moins que ce soit un très gros aimant). 

Si vous souhaitez obtenir des conseils sur votre application spécifique, vous pouvez envoyer un e-mail pour obtenir de l'aide. Nous pouvons vous donner des conseils pour vous aider à affiner vos options, mais l'essayer pratiquement pourrait être le meilleur moyen d'en être sûr.


Cas pratique : Un panneau

On nous demande souvent quels aimants utiliser pour faire tenir un panneau. Il peut s'agir d'un compartiment dissimulé dans un meuble, d'une porte d'accès sous un spa, d'une porte de placard ou de bien d'autres. Dans tous les cas, le but est de tenir un panneau amovible avec des aimants.

Ce qu'il faut, c'est une force magnétique suffisante pour surmonter la friction et l'effet de levier du panneau (assez moindre *). Le problème est que les panneaux grands et lourds de la taille d'une porte ont besoin de BEAUCOUP de force magnétique pour les empêcher de glisser vers le bas. Un panneau léger qui pèse 3 kilos peut nécessiter des aimants avec une force de traction de 15  kilos pour l'empêcher de glisser. Pour des portes plus lourdes de 10 kilos, il faudrait une force d'adhérence de 50 kilos. Lorsque la raison d'utiliser des aimants est de rendre le panneau facile à retirer, devoir tirer avec 50 kilos de force n'est pas vraiment une partie de plaisir ! Nous proposons des aimants qui fournissent autant de force, mais personne ne veut tirer avec plus de 100 livres de force pour retirer une porte de 15 livres.

* Un panneau étant très souvent fin, il sera très proche du mur ainsi que son centre de gravité. L'effet de levier sera donc très nettement plus faible Pour en savoir plus sur l'effet de levier, regardez notre page dédié bras de levier et aimants !

Dans la plupart des cas, il est logique de résoudre le problème de glissement avec une solution mécanique. Si le panneau repose sur une butée mécanique, comme illustré sur le schéma F, le poids du panneau est soutenu par la butée au lieu des aimants. Il ne dépend plus du frottement pour l'empêcher de glisser.

Dans ces cas, vous n'avez besoin que d'une force magnétique suffisante pour empêcher le panneau de basculer vers l'extérieur. La taille et la force de l'aimant sont choisies pour définir la force nécessaire pour le retirer. Une porte de réfrigérateur typique nécessite environ 7 kilos de force pour l'ouvrir, ce qui est un ordre de grandeur utile dans le dimensionnement de ce genre de panneau.


Ajout de friction

Nous pouvons ajouter de la friction si nous plaçons une couche de matériau adhérent entre l'aimant et la surface en acier vers laquelle il est attiré. Nos aimants recouverts de caoutchouc en sont un bon exemple. Ou, nous avons également ajouté une couche de ruban adhésif à un aimant ou un matériau en polyuréthane à dos adhésif.

Dans tous les cas, il y a un compromis lors de l'ajout d'une couche de matériau pour augmenter la friction. L'insertion d'un matériau adhérent ou l'utilisation d'un aimant recouvert de caoutchouc augmente la friction entre les surfaces, ce qui peut l'empêcher de glisser vers le bas. Cependant, comme l'aimant est maintenant plus éloigné de la surface de l'acier, il a une force d'attraction plus faible.

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