Le phénomène de frottement, lorsqu'il est étudié à l'échelle nanométrique, est plus complexe qu'on ne le pensait auparavant. Lorsque le frottement se produit, un objet ne fait pas simplement glisser sa surface sur celle d'un autre, il effectue également un léger mouvement de haut en bas. Cette découverte complète une théorie séculaire de la friction datant de 1699 et révèle une lacune dans la pensée contemporaine sur la friction. Le phénomène – appelé hystérésis de levage – a été décrit dans une étude récente des chercheurs Farid Al-Bender, Kris De Moerlooze et Paul Vanherck de l'ingénierie de production, Division de conception de machines et d'automatisation du département de génie mécanique de la KU Leuven.

Le frottement est la force qui se produit lorsqu'une surface glisse sur une autre, ou lorsqu'un objet se déplace à travers un liquide ou un gaz. Jusqu'à maintenant, la théorie expliquant le phénomène de frottement était fragmentée. les physiciens français Guillaume Amontons et Charles August Coulomb, travaillant à la fin du XVIIe et au milieu du XVIIIe siècle, respectivement, s'est efforcé de trouver une explication à la résistance de frottement. La résistance au frottement explique, par exemple, pourquoi faire glisser une armoire lourde sur un sol est beaucoup plus difficile que de faire glisser une chaise. Lorsque le poids d'un objet augmente, la résistance aussi. Le sol et le bas du meuble se déplacent l'un contre l'autre de gauche à droite ou vice versa. Mais en même temps le poids du meuble s'appuie perpendiculairement sur le fond du meuble et sur le sol. Cette charge normale – « normale » dans le sens où elle est perpendiculaire à la direction de déplacement – ​​pousse les deux surfaces ensemble et produit une résistance lorsque le frottement se produit. Si nous mettons la chaise et le meuble sur roues et les poussons vers le haut, il faut plus de force pour déplacer le meuble que pour déplacer la chaise.

En utilisant ce raisonnement, Amontons et Coulomb ont expliqué la friction par la rugosité des deux surfaces :les coins et recoins (parfois microscopiques) d'une surface - les aspérités - qui se déposent sur ceux d'une autre lorsqu'un objet repose sur un autre. Lorsque le frottement se produit, ces aspérités jouent le rôle de pentes. Ils sont faits pour grimper, descendre et se déformer pour que le mouvement puisse continuer, semblable à ce qui se passe lorsque les poils de deux brosses se frottent. Cette théorie est parfois appelée « hypothèse de la bosse » parce qu'une surface frotte les bosses d'une autre avec un mouvement de haut en bas.

Au 20ème siècle, il est devenu clair que la théorie existante ne correspondait pas entièrement aux lois de la thermodynamique, la science qui étudie la conversion de la chaleur en énergie mécanique ou vice versa. Spécifiquement, L'hypothèse de la bosse d'Amontons et Coulomb n'a pas réussi à expliquer l'énergie perdue en raison de la friction. Dans leur théorie, la somme de l'énergie nécessaire pour aller "en montée" puis "en descente" est nulle. À la fois, on sait que les surfaces pures ont une tendance électrochimique à se coller les unes aux autres. Cela est dû au fait que les aspérités sont collées les unes aux autres dans un phénomène appelé adhérence. Un exemple typique est le scotch. Lorsqu'un mouvement se produit, tous les liens entre les aspérités des deux surfaces sont rompus et reformés ailleurs. Par conséquent, des facteurs tels que la vitesse et l'accélération influencent le frottement. Avec l'avènement de la nouvelle théorie de l'adhésion, La théorie d'Amontons et de Coulomb tomba progressivement dans l'oubli. Mais la théorie moderne de l'adhérence du frottement s'est avérée avoir ses propres incohérences.

Les techniques de mesure à l'échelle micro et nanométrique permettent désormais aux chercheurs d'étudier le frottement à un niveau atomique. Le professeur Farid Al-Bender et son équipe ont mené une expérience avec des capteurs de frottement et de déplacement extrêmement précis et testé divers matériaux (papier, plastique et laiton) à différentes vitesses de déplacement. Les résultats cartographient les mesures de la force de frottement cohérentes avec celles prédites par la théorie de l'adhérence. Mais jusqu'à maintenant, le « mouvement normal » – mouvement perpendiculaire au mouvement de frottement – ​​n'avait pas encore été mesuré. Alors que le mouvement normal ne représente que 5 à 50 nanomètres - des milliardièmes de mètre - ce mouvement systématique de haut en bas avait été ignoré auparavant. Mesures de ce mouvement normal, disent les chercheurs de la KU Leuven, confirme l'hypothèse séculaire de déformation de l'aspérité et de pente initiée par Amontons et Coulomb et brosse un tableau plus complexe du phénomène de frottement car le mouvement normal doit maintenant être pris en compte lors de l'élaboration d'une théorie complète du frottement. Les résultats d'Al-Bender et de son équipe suggèrent que la friction est causée par une interaction à la fois de l'adhérence d'une part et de la déformation de l'aspérité et de la pente d'autre part.

Tribologie – la science du frottement, la lubrification et l'usure – est un domaine important de l'ingénierie mécanique. La recherche en tribologie peut aider à réduire les coûts économiques et environnementaux de production et d'utilisation. Si l'interaction entre les surfaces en mouvement peut être contrôlée, les entrées de temps et d'énergie peuvent être optimisées et l'usure, les dysfonctionnements et les déchets peuvent être réduits. La recherche en tribologie peut également contribuer à la miniaturisation des produits, tels que les composants informatiques. A la KU Leuven, la recherche en tribologie est étroitement liée à la recherche en génie mécanique, Conception de la machine, science des matériaux et robotique.