O atrito estático é uma força que deve sersuperarpara algo começar. Por exemplo, alguém pode empurrar um objeto fixo, como um sofá pesado, sem que ele se mova. Mas, se eles empurrarem com mais força ou pedirem a ajuda de um amigo forte, isso vai superar a força de atrito e se mover.
Enquanto o sofá está parado, oforça de atrito estático está equilibrando a força aplicada do impulso. Portanto,a força de atrito estático aumenta de forma linear com a força aplicada atuando na direção oposta, até atingir um valor máximo e o objeto apenas começar a se mover. Depois disso, o objeto não sofre mais resistência do atrito estático, mas do atrito cinético.
O atrito estático é geralmente uma força de atrito maior do que o atrito cinético - é mais difícil começar a empurrar um sofá pelo chão do que mantê-lo funcionando.
Coeficiente de atrito estático
O atrito estático resulta das interações moleculares entre o objeto e a superfície sobre a qual ele está. Assim, diferentes superfícies fornecem diferentes quantidades de atrito estático.
O coeficiente de atrito que descreve esta diferença no atrito estático para diferentes superfícies éμs.Pode ser encontrada em uma tabela, como a que está vinculada a este artigo, ou calculada experimentalmente.
Equação para atrito estático
Onde:
- Fs= força de atrito estático em newtons (N)
- μs = coeficiente de atrito estático (sem unidades)
- FN = força normal entre as superfícies em newtons (N)
O atrito estático máximo é alcançado quando a desigualdade se torna uma igualdade, ponto em que uma força de atrito diferente assume quando o objeto começa a se mover. (A força cinética, ou atrito deslizante, tem um coeficiente diferente associado a ela, chamado coeficiente de atrito cinético e denotadoμk .)
Exemplo de cálculo com atrito estático
Uma criança tenta empurrar uma caixa de borracha de 10 kg horizontalmente ao longo de um piso de borracha. O coeficiente de atrito estático é 1,16. Qual é a força máxima que a criança pode usarsema caixa está se movendo?
[inserir um diagrama de corpo livre mostrando as forças aplicadas, de atrito, gravitacional e normal na caixa estática]
Primeiro, observe que a força resultante é 0 e encontre a força normal da superfície na caixa. Como a caixa não está se movendo, essa força deve ser igual em magnitude à força gravitacional agindo na direção oposta. Lembre-se dissoFg = mgOndeFgé a força da gravidade,mé a massa do objeto egé a aceleração da gravidade na Terra.
Então:
F_N = F_g = 10 \ vezes 9,8 = 98 \ texto {N}
Então, resolva para Fs com a equação acima:
F_s = \ mu_s \ vezes F_N = 1,16 \ vezes 98 = 113,68 \ texto {N}
Esta é a força de atrito estática máxima que se opõe ao movimento da caixa. Portanto, é também a quantidade máxima de força que a criança pode aplicar sem que a caixa se mova.
Observe que, enquanto a criança estiver aplicando qualquer forçamenos do que o valor máximo de atrito estático, a caixa ainda não se move!
Atrito Estático em Planos Inclinados
O atrito estático não se opõe apenas às forças aplicadas. Ele evita que os objetos deslizem por colinas ou outras superfícies inclinadas, resistindo à força da gravidade.
Em um ângulo, a mesma equação se aplica, mas a trigonometria é necessária para resolver os vetores de força em seus componentes horizontal e vertical.
Considere um livro de 2 kg em um plano inclinado a 20 graus. Para que o livro fique parado, oforças paralelas ao plano inclinado devem ser equilibradas. Como mostra o diagrama, a força de atrito estático é paralela ao plano na direção para cima; a força oposta para baixo é da gravidade - neste caso, porém,apenas o componente horizontal da força gravitacionalestá equilibrando o atrito estático.
Desenhando um triângulo retângulo da força da gravidade para resolver seus componentes, e fazendo um pouca geometria para descobrir que o ângulo neste triângulo é igual ao ângulo de inclinação do plano, acomponente horizontal da força gravitacional(o componente paralelo ao plano) é então:
F_ {g, x} = mg \ sin {\ theta} = 2 \ vezes 9,8 \ vezes \ sin {20} = 6,7 \ texto {N}
Isso deve ser igual à força de atrito estático segurando o livro no lugar.
Outro valor possível de encontrar nesta análise é o coeficiente de atrito estático. A força normal éperpendicularpara a superfície em que o livro repousa. Então essa força deve serequilibrado com o componente verticalda força da gravidade:
F_ {g, y} = mg \ cos {\ theta} = 2 \ vezes 9,8 \ vezes \ cos {20} = 18,4 \ texto {N}
Em seguida, reorganizando a equação para o atrito estático:
\ mu_s = \ frac {F_s} {F_N} = \ frac {6,7} {18,4} = 0,364