1. Definizione di forza di attrito
L'attrito è una forza di trascinamento che agisce tra le superfici di oggetti che entrano in contatto. In questo contesto, la forza di attrito studiata si riferisce alla forza di attrito che agisce tra due superfici di corpi solidi a contatto. Ad esempio, l'attrito tra la base di una trave e la superficie del pavimento, l'attrito tra la suola di una scarpa e la superficie del pavimento, l'attrito tra le ruote di un'automobile e la superficie stradale.
La forza d'attrito agisce sempre sulla superficie di oggetti solidi che si toccano, anche se questi sono molto lisci. Persino le superfici lisce sono in realtà molto ruvide a livello microscopico. Quando un oggetto si muove, queste micro-irregolarità ne ostacolano il movimento. A livello atomico, una sporgenza sulla superficie fa sì che gli atomi si trovino molto vicini ad altre superfici, in modo che le forze elettriche tra gli atomi possano formare legami chimici, come un'unione tra due superfici di un oggetto in movimento. Quando un oggetto si muove, ad esempio quando si spinge un libro sulla superficie di un tavolo, il movimento del libro incontra degli ostacoli e alla fine si arresta. Ciò è dovuto alla formazione e al distacco di questi legami.
Se la superficie di un oggetto sfrega contro la superficie di un altro oggetto, si genera attrito tra di essi. La forza di attrito sull'oggetto in movimento è sempre in direzione opposta alla direzione del movimento stesso. Oltre a ostacolare il movimento degli oggetti, l'attrito può causare usura e danni. Possiamo osservare questo fenomeno nel motore di un veicolo. Ad esempio, quando lubrifichiamo il motore di una motocicletta, in realtà vogliamo ridurre la forza di attrito che si genera al suo interno. Se il motore non viene lubrificato, si danneggia rapidamente. Questo esempio illustra i danni causati dall'attrito.
2. Tipi di forze di attrito
Esistono due tipi di forze di attrito: la forza di attrito statico (f s ) e la forza di attrito dinamico (f k ). La forza di attrito statico agisce quando l'oggetto è fermo, mentre la forza di attrito dinamico agisce quando l'oggetto è in movimento. Se si spinge un tavolo, ma questo è fermo, la forza di attrito che agisce sul tavolo a riposo è la forza di attrito statico. Al contrario, quando il tavolo è in movimento, la forza di attrito che agisce su di esso è la forza di attrito dinamico. Se il tavolo in movimento non viene spinto continuamente, si fermerà dopo un certo periodo di movimento. L'arresto del tavolo è dovuto alla forza di attrito dinamico che ne impedisce il movimento.
Vi è mai capitato di scivolare camminando su una superficie liscia? Quando si scivola, la forza d'attrito che agisce tra la suola della scarpa o del sandalo e la superficie liscia è l'attrito cinetico. Questo problema è simile a quello che si verifica quando una moto o un'auto si muove su una strada bagnata e liscia, frenando fino a quando la ruota non slitta. Quando le ruote slittano, la forza d'attrito che agisce sulla superficie della ruota e sulla superficie stradale è l'attrito cinetico. Al contrario, quando si cammina, la forza d'attrito che agisce tra la suola della scarpa o del sandalo e la superficie del pavimento è l'attrito statico. Allo stesso modo, quando le ruote non slittano, la forza d'attrito che agisce sulla superficie della ruota e sulla strada è l'attrito statico.
2.1 Forza di attrito statico
La forza di attrito statico è la forza di attrito che agisce sulla superficie degli oggetti che si toccano quando questi sono ancora fermi.
La Figura 1 mostra un oggetto che si trova ancora sulla superficie di un piano. Se l'oggetto non si è ancora mosso, la forza di attrito statico (fs) è minore della forza di trazione (F). Se si continua a tirare, l'oggetto si muoverà. Quando l'oggetto si muoverà, l'entità della forza di attrito statico (fs) sarà maggiore.s) è uguale all'intensità della forza di trazione (F).
La prima legge di Newton afferma che gli oggetti sono in quiete se la forza totale (forza risultante) è pari a zero.
ΣF y = 0 (L'oggetto è fermo e non si muove in direzione verticale)
N – w = 0
N = w (1.2)
Sostituire N nell'equazione 1.1 con N nell'equazione 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = attrito statico (N), μs = coefficiente di attrito statico, N = forza normale (N), w = gravità (N), m = massa (kg), g = accelerazione di gravità (m/ s² )
Se si desidera determinare il coefficiente di attrito statico, utilizzare l'equazione 1.1 b
Σf x = 0 (L'oggetto è fermo e non si muove in direzione orizzontale)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Quando l'oggetto inizia a muoversi, la forza di attrito statico massima è pari all'intensità della forza di spinta o di trazione.
2.2 Forza di attrito cinetico
La forza di attrito cinetico è la forza di attrito che agisce sulla superficie degli oggetti che si toccano quando un oggetto è in movimento.
Se si desidera determinare il coefficiente di attrito cinetico (μ k ), utilizzare l'equazione 1.5 b
La Figura 2 mostra un oggetto che viene tirato regolarmente in modo che si muova a velocità costante. Quando si muove a velocità costante, l'intensità della forza di attrito cinetico (fk) è uguale all'intensità della forza di trazione (F).
La prima legge di Newton afferma che un oggetto si muove a velocità costante se la forza totale (forza risultante) è pari a zero.
ΣF x = 0 (gli oggetti si muovono a velocità costante in direzione orizzontale)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Esempio di problema 1:
Uno studente tira una trave di massa 1 kg posizionata sulla superficie di un tavolo utilizzando un dinamometro (un dispositivo di misurazione della forza). Quando la trave si muove, il dinamometro mostra il valore di 2 N. Se l'accelerazione di gravità è pari a 10 m/s² , determinare (a) l'intensità della forza di attrito statico e (b) il coefficiente di attrito statico.
Soluzione:
Dati noti : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Quando la trave si muoverà, l'intensità della forza di attrito statico sarà uguale all'intensità della forza di trazione (confronta l'equazione 1.4). Quindi, f s = F = 2 N.
(b) μ s
f s = μ s w
2 N = (μ s )(10 N)
μ s = 2 N / 10 N = 0.2
Esempio di problema 2:
Una trave di massa 1 kg posta sopra la superficie del tavolo viene tirata regolarmente in modo che si muova a velocità costante. Quando la trave si muove a velocità costante, il dinamometro indica 1 N. Se l'accelerazione di gravità è pari a 10 m/s² , determinare (a) l'intensità della forza di attrito cinetico (b) il coefficiente di attrito cinetico
Soluzione:
Dati noti: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Quando la trave si muove regolarmente o a velocità costante, l'intensità della forza di attrito cinetico è uguale all'intensità della forza di trazione (confronta l'equazione 1.6).
Quindi f k = F = 1 N
(b) μ k
f k = μ k w
1 N = (μ k )(10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
