L'attrito fa parte della vita quotidiana. Mentre nei problemi di fisica idealizzati spesso ignori cose come la resistenza dell'aria e la forza di attrito, se vuoi accuratamente calcolare il movimento degli oggetti su una superficie, devi tenere conto delle interazioni nel punto di contatto tra l'oggetto e il superficie.
Questo di solito significa lavorare con attrito radente, attrito statico o attrito volvente, a seconda della situazione specifica. Sebbene un oggetto che rotola come una palla o una ruota subisca chiaramente una forza di attrito inferiore rispetto a un oggetto che devi diapositiva, dovrai ancora imparare a calcolare la resistenza al rotolamento per descrivere il movimento di oggetti come le gomme delle auto asfalto.
Definizione di attrito volvente
L'attrito volvente è un tipo di attrito cinetico, noto anche comeresistenza al rotolamento, che si applica al movimento di rotolamento (al contrario del movimento di scorrimento - l'altro tipo di attrito cinetico) e si oppone al movimento di rotolamento essenzialmente allo stesso modo di altre forme di forza di attrito.
In generale, il rotolamento non comporta la stessa resistenza dello scorrimento, quindi ilcoefficiente di attrito volventesu una superficie è in genere inferiore al coefficiente di attrito per situazioni di scorrimento o statiche sulla stessa superficie.
Il processo di rotolamento (o puro rotolamento, cioè senza slittamento) è molto diverso dallo scorrimento, perché il rotolamento include un attrito aggiuntivo man mano che ogni nuovo punto sull'oggetto entra in contatto con il superficie. Di conseguenza, in un dato momento c'è un nuovo punto di contatto e la situazione è istantaneamente simile all'attrito statico.
Ci sono molti altri fattori oltre alla rugosità superficiale che influenzano anche l'attrito volvente; per esempio, la quantità di deformazione dell'oggetto e della superficie per il movimento di rotolamento quando sono a contatto influisce sulla forza della forza. Ad esempio, i pneumatici per auto o camion sperimentano una maggiore resistenza al rotolamento quando vengono gonfiati a una pressione inferiore. Oltre alle forze dirette che spingono su un pneumatico, parte della perdita di energia è dovuta al calore, chiamatoperdite per isteresi.
Equazione per l'attrito volvente
L'equazione per l'attrito volvente è sostanzialmente la stessa delle equazioni per l'attrito radente e statico attrito, tranne con il coefficiente di attrito volvente in luogo del coefficiente simile per altri tipi di attrito.
UsandoFk, r per la forza di attrito volvente (cioè cinetica, di rotolamento),Fn per la forza normale eμk, r per il coefficiente di attrito volvente, l'equazione è:
F_{k, r} = μ_{k, r}F_n
Poiché l'attrito volvente è una forza, l'unità diFk, r è newton. Quando risolvi problemi che coinvolgono un corpo volvente, dovrai cercare il coefficiente di attrito volvente specifico per i tuoi materiali specifici. Engineering Toolbox è generalmente fantastico risorsa per questo tipo di cose (vedi Risorse).
Come sempre, la forza normale (Fn) ha la stessa grandezza del peso (cioè,mg, dovemè la massa eg= 9,81 m/s2) dell'oggetto su una superficie orizzontale (supponendo che non agiscano altre forze in quella direzione) ed è perpendicolare alla superficie nel punto di contatto.Se la superficie è inclinataad angoloθ, il modulo della forza normale è dato damgcos (θ).
Calcoli con attrito cinetico
Il calcolo dell'attrito volvente è un processo abbastanza semplice nella maggior parte dei casi. Immagina un'auto con una massa dim= 1.500 kg, guidando su asfalto e conμk, r = 0.02. Qual è la resistenza al rotolamento in questo caso?
Usando la formula, a fiancoFn = mg(su una superficie orizzontale):
\begin{allineato} F_{k, r} &= μ_{k, r}F_n \\ &= μ_{k, r} mg \\ &= 0,02 × 1500 \;\text{kg} × 9,81 \;\ text{m/s}^2 \\ &= 294 \;\text{N} \end{allineato}
Si può vedere che la forza dovuta all'attrito volvente sembra sostanziale in questo caso, tuttavia, data la massa dell'auto, e usando la seconda legge di Newton, ciò equivale solo a una decelerazione di 0,196 m/s2. io
Se quella stessa macchina stava guidando su una strada con un'inclinazione verso l'alto di 10 gradi, dovresti usareFn = mgcos (θ), e il risultato cambierebbe:
\begin{allineato} F_{k, r} &= μ_{k, r}F_n \\ &= μ_{k, r} mg \cos(\theta)\\ &= 0,02 × 1500 \;\text{kg } × 9,81 \;\text{m/s}^2 × \cos (10 °)\\ &= 289,5 \;\text{N} \end{allineato}
Poiché la forza normale si riduce a causa dell'inclinazione, la forza di attrito si riduce dello stesso fattore.
Puoi anche calcolare il coefficiente di attrito volvente se conosci la forza di attrito volvente e l'entità della forza normale, utilizzando la seguente formula riorganizzata:
μ_{k, r} = \frac{F_{k, r}}{F_n}
Immaginare un pneumatico di bicicletta che rotola su una superficie di cemento orizzontale conFn = 762 N eFk, r = 1,52 N, il coefficiente di attrito volvente è:
\begin{allineato} μ_{k, r} &= \frac{F_{k, r}}{F_n} \\ &=\frac{1.52 \;\text{N}}{762 \;\text{N }} \\ &= 0.002 \end{allineato}
