L'attrito è tutto intorno a noi nel mondo reale. Quando due superfici interagiscono o si spingono l'una contro l'altra in qualche modo, una parte dell'energia meccanica viene convertita in altre forme, riducendo la quantità di energia rimanente per il movimento.
Mentre le superfici lisce tendono a subire meno attrito rispetto alle superfici ruvide, solo nel vuoto dove questo non è importante c'è un vero ambiente privo di attriti, sebbene i libri di fisica delle scuole superiori facciano spesso riferimento a tali situazioni per semplificare calcoli.
L'attrito generalmente impedisce il movimento. Considera un treno che rotola su un binario o un blocco che scivola sul pavimento. In un mondo senza attrito, questi oggetti continuerebbero il loro movimento indefinitamente. L'attrito li fa rallentare e alla fine si ferma in assenza di altre forze applicate.
I satelliti nello spazio sono in grado di mantenere le loro orbite con poca energia aggiunta a causa del vuoto quasi perfetto dello spazio. I satelliti con orbita inferiore, tuttavia, spesso incontrano forze di attrito sotto forma di resistenza dell'aria e richiedono un riavviamento periodico per mantenere la rotta.
Definizione di attrito
A livello microscopico, l'attrito si verifica quando le molecole di una superficie interagiscono con le molecole di un'altra superficie quando tali superfici sono in contatto e si spingono l'una contro l'altra. Ciò si traduce in resistenza quando uno di questi oggetti cerca di muoversi mantenendo il contatto con l'altro oggetto. Chiamiamo questa resistenza la forza di attrito. Come altre forze, è una grandezza vettoriale misurata in newton.
Poiché la forza di attrito risulta dall'interazione di due oggetti, determinando la direzione su cui agirà un dato oggetto - e quindi la direzione per disegnarlo su un diagramma di corpo libero - richiede di capire che interazione. La terza legge di Newton ci dice che se l'oggetto A applica una forza sull'oggetto B, allora l'oggetto B applica una forza uguale in grandezza ma nella direzione opposta sull'oggetto A.
Quindi, se l'oggetto A spinge contro l'oggetto B nella stessa direzione in cui si muove l'oggetto A, la forza di attrito agirà in senso opposto alla direzione del movimento dell'oggetto A. (Questo è tipicamente il caso dell'attrito radente, discusso nella sezione successiva.) Se, d'altra parte, l'oggetto A sta spingendo sull'oggetto B in una direzione opposta alla sua direzione di movimento, allora la forza di attrito finirà per essere nella stessa direzione del movimento dell'oggetto A. (Questo è spesso il caso dell'attrito statico, discusso anche nella sezione successiva.)
L'entità della forza di attrito è spesso direttamente proporzionale alla forza normale, o alla forza che preme le due superfici l'una contro l'altra. La costante di proporzionalità varia a seconda delle superfici a contatto. Ad esempio, potresti aspettarti un attrito minore quando due superfici "scivolose" - come un blocco di ghiaccio su un lago ghiacciato - sono in contatto e un attrito maggiore quando due superfici "ruvide" sono in contatto.
La forza di attrito è generalmente indipendente dall'area di contatto tra gli oggetti e il relativo velocità delle due superfici (tranne nel caso di resistenza dell'aria, che non è affrontato in questo articolo.)
Tipi di attrito
Esistono due tipi principali di attrito: attrito dinamico e attrito statico. Potresti anche aver sentito parlare di qualcosa chiamato attrito volvente, ma come discusso più avanti in questa sezione, questo è davvero un fenomeno diverso.
Forza di attrito cinetico, noto anche come attrito radente, è la resistenza dovuta alle interazioni superficiali mentre un oggetto scivola contro un altro, ad esempio quando una scatola viene spinta sul pavimento. L'attrito cinetico agisce in senso opposto alla direzione del movimento. Questo perché l'oggetto che scivola spinge contro la superficie nella stessa direzione in cui sta scivolando, quindi la superficie applica una forza di attrito sull'oggetto nella direzione opposta.
Frizione staticaè una forza di attrito tra due superfici che si spingono l'una contro l'altra, ma non scorrono l'una rispetto all'altra. Nel caso in cui una scatola venga spinta lungo il pavimento, prima che la scatola inizi a scivolare, la persona deve spingere contro di essa con forza crescente, spingendo infine abbastanza forte da farla funzionare. Mentre la forza di spinta aumenta da 0, aumenta anche la forza di attrito statico, opponendosi al forza di spinta fino a quando la persona non applica una forza sufficientemente grande da superare il massimo attrito statico vigore. A quel punto, la scatola inizia a scivolare e l'attrito cinetico prende il sopravvento.
Le forze di attrito statico, tuttavia, consentono anche determinati tipi di movimento. Considera cosa succede quando cammini sul pavimento. Mentre fai un passo, spingi indietro sul pavimento con il piede e il pavimento, a sua volta, ti spinge in avanti. È l'attrito statico tra il piede e il pavimento che fa sì che ciò accada, e in questo caso la forza di attrito statico finisce per essere nella direzione del tuo movimento. Senza attrito statico, quando spingi all'indietro contro il pavimento, il tuo piede scivolerebbe e cammineresti sul posto!
Resistenza al rotolamentoè talvolta chiamato attrito volvente, anche se questo è un termine improprio in quanto si tratta di una perdita di energia dovuta alla deformazione di le superfici a contatto quando un oggetto rotola, in contrasto con il risultato di superfici che cercano di scivolare contro ciascuna altro. È simile all'energia persa quando una palla rimbalza. La resistenza al rotolamento è generalmente molto piccola rispetto all'attrito statico e cinetico. In effetti, è raramente affrontato nella maggior parte dei testi di fisica universitari e delle scuole superiori.
La resistenza al rotolamento non deve essere confusa con gli effetti di attrito statico e cinetico su un oggetto che rotola. Un pneumatico, ad esempio, può subire attrito radente sull'asse mentre gira, e subisce anche attrito statico, che mantiene il pneumatico dallo slittamento durante il rotolamento (l'attrito statico in questo caso, proprio come con la persona che cammina, finisce per agire nella direzione di movimento.)
Equazione di attrito
Come accennato in precedenza, l'entità della forza di attrito è direttamente proporzionale all'entità della forza normale e la costante di proporzionalità dipende dalle superfici in questione. Ricordiamo che la forza normale è la forza perpendicolare alla superficie, che contrasta qualsiasi altra forza applicata in quella direzione.
La costante di proporzionalità è una quantità senza unità chiamatacoefficiente d'attrito, che varia con la rugosità delle superfici in esame, ed è tipicamente rappresentato dalla lettera grecaμ.
F_f = \mu F_N
Suggerimenti
Questa equazione riguarda solo la grandezza dell'attrito e delle forze normali. Non puntano nella stessa direzione!
Nota che μ non è lo stesso per l'attrito statico e cinetico. Il coefficiente spesso include un pedice, conμKriferito al coefficiente di attrito dinamico eμSriferito al coefficiente di attrito statico. I valori di questi coefficienti per diversi materiali possono essere consultati in una tabella di riferimento. I coefficienti di attrito per alcune superfici comuni sono elencati nella tabella seguente.
| Sistema | Attrito statico (μs) | Attrito cinetico (μk) |
|---|---|---|
Gomma su calcestruzzo asciutto |
1 |
0.7 |
Gomma su calcestruzzo bagnato |
0.7 |
0.5 |
Legno su legno |
0.5 |
0.3 |
Legno cerato sulla neve bagnata |
0.14 |
0.1 |
Metallo su legno |
0.5 |
0.3 |
Acciaio su acciaio (a secco) |
0.6 |
0.3 |
Acciaio su acciaio (oliato) |
0.05 |
0.03 |
Teflon su acciaio |
0.04 |
0.04 |
Osso lubrificato dal liquido sinoviale |
0.016 |
0.015 |
Scarpe su legno |
0.9 |
0.7 |
Scarpe sul ghiaccio |
0.1 |
0.05 |
Ghiaccio su ghiaccio |
0.1 |
0.03 |
Acciaio su ghiaccio |
0.04 |
0.02 |
https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction
I valori di μ per la resistenza al rotolamento sono spesso inferiori a 0,01, e in modo significativo, quindi si può vedere che, a confronto, la resistenza al rotolamento è spesso trascurabile.
Quando si lavora con attrito statico, la formula della forza è spesso scritta come segue:
F_f \leq \mu_s F_N
Con la disuguaglianza che rappresenta il fatto che la forza di attrito statico non può mai essere maggiore delle forze che le si oppongono. Ad esempio, se stai cercando di spingere una sedia sul pavimento, prima che la sedia inizi a scivolare, agirà l'attrito statico. Ma il suo valore varierà. Se applichi 0,5 N alla sedia, la sedia subirà 0,5 N di attrito statico per contrastarlo. Se si spinge con 1,0 N, l'attrito statico diventa 1,0 N e così via finché non si spinge con un valore superiore al valore massimo della forza di attrito statico e la sedia inizia a scivolare.
Esempi di attrito
Esempio 1:Quale forza deve essere applicata a un blocco di metallo di 50 kg per spingerlo su un pavimento di legno a velocità costante?
Soluzione:Per prima cosa, disegniamo il diagramma di corpo libero per identificare tutte le forze che agiscono sul blocco. Abbiamo la forza di gravità che agisce verso il basso, la forza normale che agisce verso l'alto, la forza di spinta che agisce a destra e la forza di attrito che agisce a sinistra. Poiché il blocco dovrebbe muoversi a velocità costante, sappiamo che tutte le forze devono sommarsi a 0.
Le equazioni delle forze nette per questa configurazione sono le seguenti:
F_{netx} = F_{push} - F_f = 0\\ F_{nety} = F_N - F_g = 0
Dalla seconda equazione otteniamo che:
F_N = F_g = mg = 50\volte 9,8 = 490 \text{ N}
Usando questo risultato nella prima equazione e risolvendo per la forza di spinta sconosciuta, otteniamo:
F_{push} = F_f = \mu_kF_N = 0,3\volte 490 = 147\testo{N}
Esempio 2:Qual è l'angolo massimo di inclinazione che può avere una rampa prima che una scatola da 10 kg appoggiata su di essa inizi a scivolare? Con quale accelerazione scivolerà a questo angolo? AssumereμSè 0.3 eμKè 0.2.
Soluzione:Di nuovo, iniziamo con un diagramma a corpo libero. La forza gravitazionale agisce verso il basso, la forza normale agisce perpendicolarmente alla pendenza e la forza di attrito agisce sulla rampa.
•••Dana Chen | scienze
Per la prima parte del problema, sappiamo che la forza netta deve essere 0 e la massima forza di attrito statico èμSFno.
Scegli un sistema di coordinate allineato con la rampa in modo che in basso la rampa sia l'asse x positivo. Quindi suddividi ogni forza inX-esì-componenti, e scrivere le equazioni delle forze nette:
F_{netx} = F_g\sin(\theta) - F_f = 0\\ F_{nety} = F_N - F_g\cos(\theta) = 0
Quindi, sostituisciμSFno per attrito e risolvere perFnonella seconda equazione:
F_g\sin(\theta) - \mu_sF_N = 0 \\ F_N - F_g\cos(\theta) = 0\imlies F_N = F_g\cos(\theta)
Inserisci la formula perFnonella prima equazione e risolvi perθ:
F_g\sin(\theta) - \mu_sF_g\cos(\theta) = 0\\ \implies F_g\sin(\theta) = \mu_sF_g\cos(\theta)\\ \implies \frac{\sin(\theta)}{\cos(\theta)} = \mu_s\\ \implies \tan(\theta) = \mu_s\\ \implies \theta = \tan^{-1}(\mu_s)
Inserendo il valore di 0.3 perμS dà il risultatoθ= 16,7 gradi.
La seconda parte della domanda fa ora uso dell'attrito cinetico. Il nostro diagramma di corpo libero è essenzialmente lo stesso. L'unica differenza è che ora conosciamo l'angolo dell'inclinazione e la forza risultante non è 0 nelXdirezione. Quindi le nostre equazioni di forza nette diventano:
F_{netx} = F_g\sin(\theta) - F_f = ma\\ F_{nety} = F_N - F_g\cos(\theta) = 0
Possiamo risolvere la forza normale nella seconda equazione, proprio come prima, e inserirla nella prima equazione. Fare questo e poi risolvere perundà:
F_g\sin(\theta) - \mu_kF_g\cos(\theta) = ma\\ = \cancel{m}g\sin(\theta) - \mu_k \cancel{m}g\cos(\theta) = \ cancel{m}a\\ \implies a = g\sin(\theta) - \mu_kg\cos(\theta)
Ora è una semplice questione di inserire i numeri. Il risultato finale è:
a = g\sin(\theta) - \mu_kg\cos(\theta) = 9,8\sin (16,7) - 0,2\times 9,8\cos (16,7) = 0,94 \text{ m/s}^2