Fricção: Definição, Coeficiente, Equação (com / Diagramas e Exemplos)

O atrito está ao nosso redor no mundo real. Quando duas superfícies interagem ou se empurram uma contra a outra de alguma forma, parte da energia mecânica é convertida em outras formas, reduzindo a quantidade de energia restante para o movimento.

Enquanto as superfícies lisas tendem a experimentar menos atrito do que as superfícies ásperas, apenas no vácuo onde isso não importa é que um ambiente verdadeiramente sem atrito, embora os livros didáticos de física do ensino médio muitas vezes se refiram a tais situações para simplificar cálculos.

O atrito geralmente impede o movimento. Considere um trem rolando por um trilho ou um bloco deslizando pelo chão. Em um mundo sem atrito, esses objetos continuariam seu movimento indefinidamente. O atrito faz com que eles diminuam a velocidade e, eventualmente, parem na ausência de quaisquer outras forças aplicadas.

Os satélites no espaço são capazes de manter suas órbitas com pouca energia adicionada devido ao vácuo quase perfeito do espaço. Satélites de órbita inferior, entretanto, freqüentemente encontram forças de atrito na forma de resistência do ar e requerem reinicialização periódica para manter o curso.

No nível microscópico, o atrito ocorre quando moléculas de uma superfície interagem com moléculas de outra superfície quando essas superfícies estão em contato e empurrando umas contra as outras. Isso resulta em resistência quando um desses objetos tenta se mover enquanto mantém contato com o outro objeto. Chamamos essa resistência de força de atrito. Como outras forças, é uma quantidade vetorial medida em newtons.

Uma vez que a força de atrito resulta da interação de dois objetos, determinando a direção em que atuará um determinado objeto - e, portanto, a direção para desenhá-lo em um diagrama de corpo livre - requer a compreensão de que interação. A terceira lei de Newton nos diz que se o objeto A aplica uma força no objeto B, então o objeto B aplica uma força igual em magnitude, mas na direção oposta de volta ao objeto A.

Portanto, se o objeto A está empurrando contra o objeto B na mesma direção que o objeto A está se movendo, a força de atrito atuará na direção oposta ao movimento do objeto A. (Este é normalmente o caso do atrito deslizante, discutido na próxima seção.) Se, por outro lado, o objeto A está empurrando o objeto B em uma direção oposta à sua direção de movimento, então a força de atrito terminará na mesma direção do movimento do objeto A. (Esse costuma ser o caso do atrito estático, também discutido na próxima seção.)

A magnitude da força de atrito é freqüentemente diretamente proporcional à força normal, ou a força que pressiona as duas superfícies uma contra a outra. A constante de proporcionalidade varia dependendo das superfícies que estão em contato. Por exemplo, você pode esperar menor atrito quando duas superfícies “escorregadias” - como um bloco de gelo em um lago congelado - estão em contato, e maior atrito quando duas superfícies “ásperas” estão em contato.

A força de atrito é geralmente independente da área de contato entre os objetos e o velocidades das duas superfícies (exceto no caso de resistência do ar, que não é abordado neste artigo.)

Existem dois tipos principais de atrito: atrito cinético e atrito estático. Você também pode ter ouvido falar de algo chamado atrito de rolamento, mas, conforme discutido mais adiante nesta seção, esse é realmente um fenômeno diferente.

​Força de fricção cinética, também conhecido como atrito deslizante, é a resistência devido às interações de superfície enquanto um objeto desliza contra outro, como quando uma caixa está sendo empurrada pelo chão. O atrito cinético atua em oposição à direção do movimento. Isso ocorre porque o objeto deslizante está empurrando contra a superfície na mesma direção em que está deslizando, então a superfície aplica uma força de fricção de volta ao objeto na direção oposta.

​Fricção estáticaé uma força de atrito entre duas superfícies que se empurram uma contra a outra, mas não deslizam uma em relação à outra. No caso de uma caixa sendo empurrada ao longo do chão, antes que a caixa comece a deslizar, a pessoa deve empurrar contra ela com força crescente, eventualmente empurrando com força suficiente para fazê-la andar. Enquanto a força de empuxo aumenta de 0, a força de atrito estático aumenta também, opondo-se ao força de pressão até que a pessoa aplique uma força grande o suficiente para superar o atrito estático máximo força. Nesse ponto, a caixa começa a deslizar e o atrito cinético assume o controle.

As forças de atrito estático, no entanto, também permitem certos tipos de movimento. Considere o que acontece quando você anda pelo chão. Ao dar um passo, você empurra o pé para trás no chão, e o chão, por sua vez, o empurra para a frente. É o atrito estático entre o seu pé e o chão que faz isso acontecer, e neste caso a força do atrito estático acaba sendo na direção do seu movimento. Sem atrito estático, quando você empurra para trás contra o chão, seu pé simplesmente desliza e você está andando no lugar!

​Resistência ao rolamentoàs vezes é chamado de atrito de rolamento, embora seja um nome impróprio, pois é perda de energia devido à deformação de as superfícies em contato como um objeto rola, em oposição a um resultado de superfícies tentando deslizar contra cada outro. É semelhante à energia perdida quando uma bola quica. A resistência ao rolamento é geralmente muito pequena em comparação com o atrito estático e cinético. Na verdade, raramente é abordado na maioria dos textos de física de faculdades e escolas secundárias.

A resistência ao rolamento não deve ser confundida com os efeitos do atrito estático e cinético em um objeto em movimento. Um pneu, por exemplo, pode estar experimentando fricção deslizante no eixo conforme gira, e também experimenta fricção estática, o que mantém o pneu de escorregar ao rolar (o atrito estático, neste caso, assim como acontece com a pessoa que anda, acaba agindo no sentido de movimento.)

Como mencionado anteriormente, a magnitude da força de atrito é diretamente proporcional à magnitude da força normal, e a constante de proporcionalidade depende das superfícies em questão. Lembre-se de que a força normal é a força perpendicular à superfície, que neutraliza quaisquer outras forças aplicadas naquela direção.

A constante de proporcionalidade é uma quantidade sem unidade chamada decoeficiente de fricção, que varia de acordo com a aspereza das superfícies em questão e é normalmente representada pela letra gregaμ​.

• Esta equação relaciona apenas a magnitude do atrito e as forças normais. Eles não apontam na mesma direção!

Observe que μ não é o mesmo para o atrito estático e cinético. O coeficiente geralmente inclui um subscrito, comμ_kreferindo-se ao coeficiente de atrito cinético eμ_sreferindo-se ao coeficiente de atrito estático. Os valores desses coeficientes para diferentes materiais podem ser consultados em uma tabela de referência. Os coeficientes de atrito para algumas superfícies comuns estão listados na tabela a seguir.

https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction

Os valores de μ para resistência ao rolamento são frequentemente menores que 0,01, e significativamente, portanto, você pode ver que, em comparação, a resistência ao rolamento é frequentemente insignificante.

Ao trabalhar com atrito estático, a fórmula da força é muitas vezes escrita da seguinte forma:

Com a desigualdade representando o fato de que a força de atrito estático nunca pode ser maior do que as forças opostas. Por exemplo, se você estiver tentando empurrar uma cadeira pelo chão, antes que a cadeira comece a deslizar, o atrito estático atuará. Mas seu valor pode variar. Se você aplicar 0,5 N à cadeira, ela sofrerá 0,5 N de atrito estático para neutralizar isso. Se você empurrar com 1,0 N, o atrito estático se tornará 1,0 N e assim por diante até que você empurre com mais do que o valor máximo da força de atrito estático e a cadeira comece a deslizar.

​Exemplo 1:Que força deve ser aplicada a um bloco de metal de 50 kg para empurrá-lo sobre um piso de madeira com velocidade constante?

​Solução:Primeiro, desenhamos o diagrama de corpo livre para identificar todas as forças que atuam no bloco. Temos a força da gravidade agindo diretamente para baixo, a força normal agindo para cima, a força de empuxo agindo para a direita e a força de fricção agindo para a esquerda. Como o bloco deve se mover a uma velocidade constante, sabemos que todas as forças devem somar 0.

As equações da força líquida para esta configuração são as seguintes:

A partir da segunda equação, obtemos que:

Usando este resultado na primeira equação e resolvendo a força de impulsão desconhecida, obtemos:

​Exemplo 2:Qual é o ângulo máximo de inclinação que uma rampa pode ter antes que uma caixa de 10 kg apoiada nela comece a deslizar? Com que aceleração ele deslizará neste ângulo? Presumirμ_sé 0,3 eμ_ké 0,2.

​Solução:Novamente, começamos com um diagrama de corpo livre. A força gravitacional atua diretamente para baixo, a força normal atua perpendicularmente à inclinação e a força de atrito atua na rampa.

•••Dana Chen | Ciência

Para a primeira parte do problema, sabemos que a força resultante deve ser 0 e a força de atrito estática máxima éμ_sF_N​.

Escolha um sistema de coordenadas alinhado com a rampa de forma que descendo a rampa seja o eixo x positivo. Em seguida, divida cada força emx-ey-componentes, e escrever as equações da força líquida:

Em seguida, substituaμ_sF​_​N​ para atrito e resolver paraF_Nna segunda equação:

Conecte a fórmula paraF_Nna primeira equação e resolva paraθ​:

Conectando o valor de 0,3 paraμ​_​s​ dá o resultadoθ= 16,7 graus.

A segunda parte da pergunta agora faz uso do atrito cinético. Nosso diagrama de corpo livre é essencialmente o mesmo. A única diferença é que agora sabemos o ângulo de inclinação, e a força resultante não é 0 noxdireção. Portanto, nossas equações de força líquida tornam-se:

Podemos resolver para a força normal na segunda equação, assim como antes, e conectá-la à primeira equação. Fazer isso e depois resolver paraumadá:

Agora é uma simples questão de conectar os números. O resultado final é: