👟 Contrôler le grincement entre un matériau mou et un matériau rigide

Une semelle de chaussures de basket qui glisse sur un parquet, un doigt sur une vitre, un frein de vélo...: de nombreux phénomènes quotidiens produisent un grincement, dû au frottement à l'interface entre un matériau mou et un matériau rigide.

Le mécanisme à l'origine de ce grincement n'était pas complètement élucidé, et c'est pour l'étudier que des chercheurs ont réalisé plusieurs études expérimentales qui permettent de comprendre comment le frottement entre les deux matériaux engendre le bruit de grincement.

Une première étude s'est focalisée sur un exemple simple: des chaussures de basket du commerce glissant sur une plaque de verre lisse à une vitesse d'environ 1 m/s. Pour observer le phénomène, un dispositif acoustique enregistre le son émis, tandis que l'interface entre la semelle et le verre est visualisée à l'aide d'un système optique et d'imagerie ultra-rapide.

L'étude a mis en évidence l'existence d'impulsions d'ouverture, c'est-à-dire de séparations temporaires de l'interface, qui se propagent dans la direction du glissement à environ 80 m/s, bien plus vite que la vitesse de glissement, avec une fréquence proche de 5000 Hz. Or, cette même fréquence apparait simultanément dans le spectre du son enregistré, dans la cadence de répétition des impulsions. Ce qui relie clairement le son du grincement à la dynamique des impulsions d'ouverture de l'interface. Un comportement similaire est observé quand on frotte un doigt sur du verre.

Pour aller plus loin dans l'étude de ce mécanisme, l'équipe a mené une autre série d'expérimentations avec des blocs de silicone aux dimensions bien définies (40 × 40 × 20 mm), qu'ils ont fait glisser sur des substrats rigides lisses, sous une contrainte normale et une force de traction contrôlées. Le même phénomène de propagation d'impulsions d'ouverture a été observé, et les mesures ont révélé que ces impulsions se propagent à des vitesses élevées, comparables à la vitesse des ondes de cisaillement dans le matériau mou (environ 22-24 m/s pour le silicone utilisé).

Lorsque la surface de glissement du bloc de silicone est plane, les impulsions sont désordonnées. Leur dynamique complexe se traduit par une émission acoustique large bande: un bruit sans fréquence dominante. Mais lorsque les chercheurs ont créé de fines nervures parallèles, des créneaux, à la surface de glissement du bloc mou, ils ont observé que les impulsions d'ouverture sont confinées spatialement et se propagent le long de ces créneaux.

Les impulsions sont dorénavant générées de manière régulière, avec une cadence constante, et les créneaux agissent comme des guides d'onde. Le son du grincement est clair et tonal. La géométrie des créneaux a peu d'influence sur la fréquence fondamentale émise, qui dépend en revanche de la hauteur du bloc de silicone.

L'équipe a ainsi fabriqué une série de blocs crénelés produisant chacun une note différente lorsqu'ils glissent sur du verre. Des observations similaires ont été obtenues avec d'autres matériaux mous, tels qu'un élastomère et un polyuréthane thermoplastique.

Ces résultats, au-delà de l'explication du mécanisme à l'origine du grincement, pourraient permettre de le contrôler, que ce soit pour le supprimer ou pour choisir sa fréquence, à des fins de détection ou de diagnostic. La structuration des surfaces ouvre aussi de nouvelles voies pour diminuer ou moduler la friction via une gestion fine de la rupture à l'interface.

Enfin, cette étude fournit un nouvel éclairage expérimental sur la friction et la rupture entre deux matériaux, susceptible d'intéresser la recherche en géophysique et en dynamique des tremblements de terre.