1. Definição de força de atrito
O atrito é uma força de resistência que atua entre as superfícies de objetos que se tocam. Neste tópico, a força de atrito estudada refere-se à força de atrito que atua entre as superfícies de dois corpos sólidos em contato. Exemplos incluem o atrito entre a base de uma viga e o piso, entre a sola de um sapato e o piso, e entre os pneus de um carro e a superfície da estrada.
A força de atrito atua sempre na superfície de objetos sólidos que se tocam, mesmo que esses objetos sejam muito lisos. Até mesmo superfícies lisas são, na verdade, muito rugosas em escala microscópica. Quando um objeto se move, essas rugosidades microscópicas interferem no movimento. Em nível atômico, uma protuberância na superfície faz com que os átomos fiquem muito próximos de outras superfícies, de modo que as forças elétricas entre os átomos possam formar ligações químicas, como uma união entre duas superfícies de um objeto em movimento. Quando um objeto se move, por exemplo, quando você empurra um livro sobre a superfície de uma mesa, o movimento do livro encontra obstáculos e finalmente para. Isso se deve à formação e à quebra dessas ligações.
Se a superfície de um objeto se atrita contra a superfície de outro, cada um desses objetos exerce força de atrito entre si. A força de atrito sobre o objeto em movimento está sempre na direção oposta à do seu movimento. Além de inibir o movimento dos objetos, o atrito pode causar desgaste e danos. Podemos observar isso no motor de um veículo. Por exemplo, quando fornecemos óleo lubrificante ao motor de uma motocicleta, na verdade, queremos reduzir a força de atrito que ocorre dentro do motor. Se não houver lubrificação, o motor do veículo se danificará rapidamente. Este exemplo ilustra uma das perdas causadas pelo atrito.
2. Tipos de forças de fricção
Existem dois tipos de forças de atrito: a força de atrito estático (f <sub>s</sub> ) e a força de atrito cinético (f<sub> k</sub> ). A força de atrito estático atua quando o objeto está em repouso, enquanto a força de atrito cinético atua quando o objeto está em movimento. Se você empurrar uma mesa, mas ela não se mover, a força de atrito que atua sobre a mesa em repouso é a força de atrito estático. Por outro lado, quando a mesa está em movimento, a força de atrito que atua sobre ela é a força de atrito cinético. Se a mesa em movimento não for constantemente empurrada, ela parará após um certo tempo de movimento. A mesa para devido à força de atrito cinético que bloqueia o movimento da mesa.
Já escorregou ao pisar em algo liso? Quando você escorrega, a força de atrito que atua entre a base do sapato ou a sola da sandália e a superfície lisa é o atrito cinético. Esse problema é semelhante ao que acontece quando uma motocicleta ou um carro se move sobre uma estrada lisa e molhada, freando até que a roda derrape. Quando as rodas derrapam, a força de atrito que atua entre a superfície da roda e a superfície da estrada é o atrito cinético. Por outro lado, quando você caminha, a força de atrito que atua entre a base do sapato ou a sola da sandália e a superfície do chão é o atrito estático. Da mesma forma, quando as rodas não derrapam, a força de atrito que atua entre a superfície da roda e a estrada é o atrito estático.
2.1 Força de atrito estático
A força de atrito estático é a força de atrito que atua na superfície de objetos que se tocam quando esses objetos ainda não se moveram.
A Figura 1 mostra um objeto que permanece sobre a superfície de um plano. Se o objeto ainda não se moveu, a força de atrito estático (fs) é menor que a força de tração (F). Se a tração continuar, o objeto se moverá. Quando o objeto se mover, a magnitude da força de atrito estático (f) será menor que a força de tração.s) é igual à magnitude da força de tração (F).
A Primeira Lei de Newton afirma que os objetos estão em repouso se a força total (força resultante) for zero.
ΣF y = 0 (Objeto em repouso e sem movimento na direção vertical)
N – w = 0
N = w (1.2)
Substitua N na equação 1.1 por N na equação 1.2.
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = força de atrito estático (N), μs = coeficiente de atrito estático, N = força normal (N), w = gravidade (N), m = massa (kg), g = aceleração da gravidade (m/ s² )
Se você quiser determinar o coeficiente de atrito estático, use a equação 1.1 b.
Σf x = 0 (O objeto está em repouso e não se move na direção horizontal)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Quando o objeto começa a se mover, a força máxima de atrito estático é igual à magnitude da força de empurrão ou tração.
2.2 Força de atrito cinético
A força de atrito cinético é a força de atrito que atua na superfície de objetos que se tocam quando um objeto está em movimento.
Se você quiser determinar o coeficiente de atrito cinético (μ k ), use a equação 1.5 b
A Figura 2 mostra um objeto sendo puxado regularmente de forma que se mova a uma velocidade constante. Quando se move a uma velocidade constante, a magnitude da força de atrito cinético (fk) é igual à magnitude da força de tração (F).
A primeira lei de Newton afirma que um objeto se move a uma velocidade constante se a força total (força resultante) for zero.
ΣF x = 0 (os objetos se movem a uma velocidade constante na direção horizontal)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Exemplo de problema 1:
Um estudante puxa uma viga com massa de 1 kg, que está sobre a superfície de uma mesa, utilizando um dinamômetro (aparelho para medir força). Quando a viga se move, o dinamômetro indica o valor 2 N. Se a aceleração da gravidade é igual a 10 m/s² , determine (a) a magnitude da força de atrito estático e (b) o coeficiente de atrito estático.
Solução:
Dados : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Quando a viga se mover, a magnitude da força de atrito estático será igual à magnitude da força de tração (compare com a equação 1.4). Portanto, 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
Exemplo de problema 2:
Uma viga com massa de 1 kg, localizada acima da superfície de uma mesa, é puxada regularmente de modo que se mova a uma velocidade constante. Quando a viga se move a uma velocidade constante, o dinamômetro indica 1 N. Se a aceleração da gravidade é igual a 10 m/s² , determine (a) a magnitude da força de atrito cinético e (b) o coeficiente de atrito cinético.
Solução:
Dados: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Quando a viga se move regularmente ou a uma velocidade constante, a magnitude da força de atrito cinético é igual à magnitude da força de tração (compare com a equação 1.6).
Então 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
