L'attrito statico è una forza che deve esseresuperareperché qualcosa vada avanti. Ad esempio, qualcuno può spingere su un oggetto fermo come un divano pesante senza che si muova. Ma, se spingono più forte o chiedono l'aiuto di un amico forte, supererà la forza di attrito e si muoverà.
Mentre il divano è fermo, illa forza di attrito statico bilancia la forza applicata della spinta. Perciò,la forza di attrito statico aumenta in modo lineare con la forza applicata che agisce nella direzione opposta, finché non raggiunge un valore massimo e l'oggetto inizia a muoversi. Dopodiché, l'oggetto non subisce più resistenza dall'attrito statico, ma dall'attrito cinetico.
L'attrito statico è di solito una forza di attrito maggiore dell'attrito cinetico: è più difficile iniziare a spingere un divano lungo il pavimento piuttosto che farlo andare avanti.
Coefficiente di attrito statico
L'attrito statico risulta dalle interazioni molecolari tra l'oggetto e la superficie su cui si trova. Pertanto, superfici diverse forniscono diverse quantità di attrito statico.
Il coefficiente di attrito che descrive questa differenza di attrito statico per superfici diverse èμS.Può essere trovato in una tabella, come quella collegata a questo articolo, o calcolato sperimentalmente.
Equazione per l'attrito statico
Dove:
- FS= forza di attrito statico in newton (N)
- μS = coefficiente di attrito statico (nessuna unità)
- Fno = forza normale tra le superfici in newton (N)
Il massimo attrito statico si ottiene quando la disuguaglianza diventa un'uguaglianza, a quel punto subentra una diversa forza di attrito quando l'oggetto inizia a muoversi. (Alla forza di attrito cinetico, o radente, è associato un coefficiente diverso chiamato coefficiente di attrito cinetico e indicatoμK .)
Esempio di calcolo con attrito statico
Un bambino cerca di spingere orizzontalmente una scatola di gomma da 10 kg lungo un pavimento di gomma. Il coefficiente di attrito statico è 1,16. Qual è la forza massima che il bambino può usare?senzala scatola si muove affatto?
[inserire un diagramma di corpo libero che mostri le forze applicate, di attrito, gravitazionali e normali sulla scatola di ancoraggio]
Innanzitutto, nota che la forza netta è 0 e trova la forza normale della superficie sulla scatola. Poiché la scatola non si muove, questa forza deve essere uguale in grandezza alla forza gravitazionale che agisce nella direzione opposta. Richiama questoFg = mgdoveFgè la forza di gravità,mè la massa dell'oggetto egè l'accelerazione di gravità sulla Terra.
Così:
F_N=F_g=10\volte 9,8 = 98\testo{N}
Quindi, risolvi per FS con l'equazione sopra:
F_s=\mu_s\times F_N=1,16\times 98 = 113,68\text{ N}
Questa è la massima forza di attrito statico che si opporrà al movimento della scatola. Pertanto, è anche la quantità massima di forza che il bambino può applicare senza che la scatola si muova.
Nota che, fintanto che il bambino applica una forzainferiore al valore massimo di attrito statico, la scatola continua a non muoversi!
Attrito statico su piani inclinati
L'attrito statico non si oppone solo alle forze applicate. Impedisce agli oggetti di scivolare lungo le colline o altre superfici inclinate, resistendo alla forza di gravità.
Su un angolo, si applica la stessa equazione ma è necessaria la trigonometria per risolvere i vettori di forza nelle loro componenti orizzontale e verticale.
Consideriamo un libro di 2 kg appoggiato su un piano inclinato a 20 gradi. Affinché il libro rimanga fermo, ille forze parallele al piano inclinato devono essere bilanciate. Come mostra il diagramma, la forza di attrito statico è parallela al piano nella direzione verso l'alto; la forza opposta verso il basso proviene dalla gravità - in questo caso però,solo la componente orizzontale della forza gravitazionalesta bilanciando l'attrito statico.
Tracciando un triangolo rettangolo dalla forza di gravità per risolverne le componenti, e facendo a poca geometria per trovare che l'angolo in questo triangolo è uguale all'angolo di inclinazione del piano, ilcomponente orizzontale della forza gravitazionale(la componente parallela al piano) è quindi:
F_{g, x}=mg\sin{\theta}=2\times 9.8\times\sin{20}=6.7\text{ N}
Deve essere uguale alla forza di attrito statico che tiene fermo il libro.
Un altro valore riscontrabile in questa analisi è il coefficiente di attrito statico. La forza normale èperpendicolarealla superficie su cui poggia il libro. Quindi questa forza deve esserebilanciato con la componente verticaledella forza di gravità:
F_{g, y}=mg\cos{\theta}=2\times 9.8\times\cos{20}=18.4\text{ N}
Quindi, riorganizzando l'equazione per l'attrito statico:
\mu_s=\frac{F_s}{F_N}=\frac{6.7}{18.4}=0.364