Études dynamiques des propriétés mécaniques et électriques des contacts entre solides

(Reçu le 6 octobre 1996, révisé le 12 avril 1996, accepté le 26 avril 1996)

Abstract
Dynamical methods are used to study contacts between solids. We describe some devices for exciting and measuring periodical oscillations of a small object laying against a table. For small amplitude (  cm) of relative motion, the normal modes of oscillation are harmonic and their frequencies give the derivative of the force versus displacement. The effects of a static force on those mutual frequencies give the second derivatives. In these modes of relative motion the strain potential energy is concentrated in the small volumes (  cm ³) near the contacts. They show a rather strong damping coefficient which we have measured. For larger amplitudes of motion, various non-linear effects show up. We have studied with some care sub-harmonic generation. When both solids in contact are electrically conducting the impedance modulation induced by the mechanical oscillations has been measured and brings some more information. Hertz theory has guided us. The fractional exponents we observe in the relations force versus displacement for various contacts are reasonably close to the Hertzian predictions. The effect of a magnetic field on the mutual frequencies of two solids made of ferrite (Mn, Zn) has been found too strong to be accounted for easily.

Résumé
Nous étudions par des méthodes dynamiques le nature des contacts entre deux solides. Nous décrivons divers dispositifs permettant de provoquer et d'observer de petites oscillations périodiques d'un objet appuyé contre une table autour de sa positions d'équilibre statique. Pour des amplitudes de mouvement relatif petites, de l'ordre de l'Angström, les modes propres d'oscillation sont harmoniques et leur fréquence donne la dérivée de la force par rapport au déplacement. L'influence d'une force statique sur cette fréquence mutuelle donne la dérivée seconde. Dans ces modes de mouvement relatif l'énergie potentielle de déformation est localisée dans les très petits volumes proches des contacts ; ils ont un fort coefficient d'amortissement que nous avons mesuré. Pour des amplitudes plus grandes, divers effets non-linéaires se montrent ; nous avons spécialement étudié l'apparition de sous-harmoniques. Pour des contacts entre solides conducteurs la mesure de la modulation d'impédance électrique liée à l'oscillation mécanique est une source supplémentaire d'information. La théorie de Hertz nous sert de guide. Les exposants fractionnaires que nous observons dans la relation force-distance sont proches de ceux de Hertz. L'influence d'un champ magnétique sur la fréquence mutuelle de deux solides de ferrite (Mn, Zn) s'est montrée anormalement grande.