L'attrito è una forza che resiste al movimento relativo e si verifica all'interfaccia tra i corpi, ma anche all'interno dei corpi, come nel caso dei fluidi. Il concetto di coefficiente di attrito fu formulato per la prima volta da Leonardo da Vinci. L'entità del coefficiente di attrito è determinata dalle proprietà delle superfici, dell'ambiente circostante, delle caratteristiche della superficie, della presenza del lubrificante, ecc.

Leggi dell'attrito

Le leggi dell’attrito sono cinque e sono:

• L'attrito dell'oggetto in movimento è proporzionale e perpendicolare alla forza normale.

• L'attrito subito dall'oggetto dipende dalla natura della superficie con cui è in contatto.

• L'attrito è indipendente dall'area di contatto finché esiste un'area di contatto.

• L'attrito cinetico è indipendente dalla velocità.

• Il coefficiente di attrito statico è maggiore del coefficiente di attrito cinetico.

Quando vediamo qualsiasi oggetto, possiamo vedere la superficie liscia ma quando lo stesso oggetto viene osservato al microscopio, si può vedere che anche l'oggetto che appare liscio ha bordi ruvidi. Piccole colline e solchi possono essere visti al microscopio e sono conosciuti come irregolarità della superficie. Quindi, quando un oggetto viene spostato sopra un altro, queste irregolarità sulla superficie si impigliano dando origine all'attrito. Maggiore sarà la rugosità, maggiori saranno le irregolarità e maggiore sarà la forza applicata.

Frizione statica

Esistono diverse teorie riguardanti le cause dell'attrito statico e, come la maggior parte dei concetti relativi all'attrito, ognuna si dimostra valida in alcune condizioni, ma fallisce in altre circostanze. Per applicazioni del mondo reale (in particolare quelle relative a macchinari e movimenti industriali). Controllo Le due teorie più ampiamente accettate dietro l'attrito statico hanno a che fare con la rugosità microscopica delle superfici.

Indipendentemente dalla perfezione con cui una superficie viene lavorata, rifinita e pulita, presenterà inevitabilmente delle asperità, essenzialmente rugosità, costituite da picchi e valli, proprio come una catena montuosa. (Tecnicamente i picchi sono le asperità.) Quando due superfici sono in contatto, può sembrare che abbiano un'area di contatto ampia e ben definita, ma in realtà il contatto avviene solo in determinati punti, cioè dove le asperità di entrambe le superfici interferiscono.

La somma di queste piccole aree di contatto tra le asperità viene definita area di contatto reale o effettiva. Poiché queste singole aree di contatto sono molto piccole, la pressione (pressione = forza ÷ area) tra le superfici in questi punti è molto elevata. Questa pressione estrema consente l'adesione tra le superfici, tramite un processo noto come saldatura a freddo, che avviene a livello molecolare. Prima che le superfici possano muoversi l'una rispetto all'altra, i legami che causano questa adesione devono essere rotti.

Inoltre, la rugosità delle superfici fa sì che in alcuni punti le asperità di una superficie si depositeranno negli avvallamenti dell’altra superficie – in altre parole, le superfici si incastreranno.

Queste aree interconnesse devono essere rotte o deformate plasticamente prima che le superfici possano muoversi. In altre parole, deve verificarsi un'abrasione. Pertanto, nella maggior parte delle applicazioni, l'attrito statico è causato sia dall'adesione che dall'abrasione delle superfici a contatto.

Leggi dell'attrito statico

Esistono due leggi dell’attrito statico:

1. Prima legge: La forza massima di attrito statico non dipende dall'area di contatto.
2. Seconda legge: La forza massima di attrito statico è comparativa alla forza normale, cioè se la forza normale aumenta, aumenta anche la forza esterna massima che l'oggetto può sopportare senza muoversi.

Derivazione per la formula dell'attrito statico

Consideriamo un blocco di peso mg giacente su una superficie orizzontale come mostrato in figura. Quando un corpo preme contro una superficie, la superficie si deforma anche se sembra rigida. La superficie deformata spinge il corpo con una forza normale R perpendicolare alla superficie. Questa è chiamata forza di reazione normale. Equilibra i mg

R =mg

Consideriamo ora che sul blocco sia applicata una forza P. Chiaramente il corpo rimane a riposo perché qualche altra forza F entra in gioco nella direzione orizzontale e si oppone alla forza applicata P risultando in una forza netta pari a zero sul corpo. Questa forza F che agisce lungo la superficie del corpo a contatto con la superficie del tavolo è chiamata forza di attrito.

Quindi finché il corpo non si muove F = P. Ciò significa che se aumentiamo P, aumenta anche l’attrito F, rimanendo sempre uguale a P.

Questa forza di attrito che entra in gioco fino all'inizio del movimento vero e proprio è nota come attrito statico.

Coefficiente di attrito statico

L'attrito statico è l'attrito che si verifica quando un oggetto viene posizionato su una superficie. E l'attrito cinetico è dovuto al movimento di un oggetto su una superficie. L'attrito è ben caratterizzato dal coefficiente di attrito e si spiega come il rapporto tra la forza di attrito e la forza normale. Questo aiuta l'oggetto a giacere su una superficie. Il coefficiente di attrito statico è una quantità scalare ed è indicato come μ_S.

La formula per il coefficiente di attrito statico è espressa come

mu_{s} = frac{F}{N}

Dove

M _S ​ = coefficiente di attrito statico

F = forza di attrito statico

N = forza normale

Attrito cinetico

L'attrito cinetico è definito come una forza che agisce tra superfici in movimento. Un corpo che si muove sulla superficie sperimenta una forza nella direzione opposta al suo movimento. L'entità della forza dipenderà dal coefficiente di attrito dinamico tra i due materiali.

L'attrito è facilmente definibile come la forza che trattiene un oggetto che scivola. L'attrito cinetico fa parte di tutto e interferisce con il movimento di due o più oggetti. La forza agisce nella direzione opposta al modo in cui un oggetto vuole scivolare.

Se un’auto deve fermarsi, freniamo ed è proprio qui che entra in gioco l’attrito. Mentre si cammina, quando ci si vuole fermare all'improvviso, l'attrito è da ringraziare ancora. Ma quando dobbiamo fermarci in mezzo ad una pozzanghera, le cose diventano più difficili perché l'attrito è minore e non può essere di grande aiuto.

Il superamento dell'attrito statico tra due superfici rimuove essenzialmente sia gli ostacoli molecolari (saldatura a freddo tra asperità) sia, in una certa misura, gli ostacoli meccanici (interferenza tra asperità e avvallamenti delle superfici) al movimento. Una volta iniziato il movimento, una certa abrasione continua a verificarsi, ma a un livello molto inferiore rispetto all'attrito statico e la velocità relativa tra le superfici non fornisce un tempo sufficiente affinché avvenga un'ulteriore saldatura a freddo (tranne nel caso di velocità estremamente bassa).

Poiché la maggior parte dell'adesione e dell'abrasione vengono superate per indurre il movimento, la resistenza al movimento tra le superfici è ridotta e le superfici ora si muovono sotto l'influenza dell'attrito cinetico, che è molto inferiore all'attrito statico.

Leggi dell'attrito cinetico

Le leggi dell’attrito dinamico sono quattro:

1. Prima legge: La forza di attrito dinamico (F_K) è direttamente proporzionale alla normale reazione (N) tra due superfici a contatto. Dove, M _K ​ = costante chiamata coefficiente di attrito cinetico.
2. Seconda legge: La forza di attrito dinamico è indipendente dalla forma e dall'area apparente delle superfici in contatto.
3. Terza legge: Dipende dalla natura e dal materiale della superficie a contatto.
4. Quarta legge: È indipendente dalla velocità dell'oggetto in contatto purché la velocità relativa tra l'oggetto e la superficie non sia troppo grande.

Formula dell'attrito cinetico

Il coefficiente di attrito dinamico è indicato con la lettera greca mu ( M ), con un pedice k. La forza di attrito dinamico è M _K volte la forza normale esercitata su un corpo. È espresso in Newton (N).

L’equazione dell’attrito dinamico può essere scritta come:

Forza di attrito dinamico = (coefficiente di attrito dinamico) (forza normale)

F _K = m _K H

Dove,

F _K = forza di attrito dinamico

M _K coefficiente di attrito dinamico

h = forza normale (lettera greca eta)

Derivazione della formula dell'attrito cinetico

Consideriamo un blocco di peso mg sdraiato su una superficie orizzontale come mostrato in figura. Quando un corpo preme contro una superficie, la superficie si deforma anche se sembra rigida. La superficie deformata spinge il corpo con una forza normale R cioè perpendicolare alla superficie. Questa è chiamata forza di reazione normale. Equilibra i mg R = mg .

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Consideriamo ora questa come una forza P viene applicato sul blocco come mostrato. Chiaramente il corpo rimane a riposo a causa di qualche altra forza F entra in gioco in direzione orizzontale e si oppone alla forza applicata P risultando in una forza netta pari a zero sul corpo. Questa forza F che agisce lungo la superficie del corpo a contatto con la superficie del tavolo viene chiamata forza di attrito .

Quindi finché il corpo non si muove F = P . Ciò significa che se aumentiamo P, aumenta anche l'attrito F, rimanendo sempre uguale a P.

Quando aumentiamo leggermente la forza applicata oltre il limite dell'attrito, inizia il movimento vero e proprio. Ciò non significa che l'attrito sia scomparso. Significa solo che la forza ha superato l'attrito limitante. Questa forza di attrito in questa fase è nota come attrito cinetico o attrito dinamico.

L'attrito cinetico o attrito dinamico è la forza opposta che entra in gioco quando un corpo si muove effettivamente sulla superficie di un altro corpo.

Applicazione dell'attrito statico e cinetico

Applicazioni dell'attrito statico

Alcuni esempi reali di attrito statico sono forniti nei punti seguenti:

• Documenti su un tavolo
• Un asciugamano appeso a una griglia
• Un segnalibro in un libro
• Un'auto parcheggiata su una collina

Applicazioni dell'attrito cinetico

Alcuni esempi reali di attrito cinetico sono forniti nei punti seguenti.

• L'attrito gioca un ruolo importante anche negli eventi quotidiani, come quando avviene lo sfregamento di due oggetti. Il movimento risultante si converte in calore e in alcuni casi provoca un incendio.
• È anche responsabile dell’usura ed è per questo che abbiamo bisogno dell’olio per lubrificare le parti delle macchine, poiché riduce l’attrito.
• Quando due oggetti vengono sfregati l'uno contro l'altro, la forza di attrito viene convertita in energia termica, dando origine in alcuni casi al fuoco
• L'attrito cinetico è responsabile dell'usura delle parti della macchina, quindi è importante lubrificare le parti della macchina con olio.

Differenza tra attrito statico e cinetico

Esempi di problemi basati sull'attrito statico e cinetico

Domanda 1: Un uomo spinge sul pavimento una grande scatola di cartone di massa 75,0 kg.

Soluzione:

Il coefficiente di attrito dinamico è μ_K= 0,520​

Il lavoratore esercita in avanti una forza di 400,0 N.

Qual è l'entità della forza di attrito?

Risposta: Su una superficie piana, la forza normale di un oggetto può essere determinata con la formula

h = mg

Sostituendo il valore di η nell'equazione F_K= m_K​ η , otteniamo

F_K= (0,520) (75,0 kg) (9,80 m/s²) = 382,2 N

Domanda 2: Nella domanda precedente, calcola la forza netta che sposta la scatola?

Soluzione:

La forza complessiva che agisce su un corpo è la somma di tutte le forze che agiscono sul corpo.

In questo caso le forze che agiscono sul corpo sono la forza esercitata dall'uomo e l'attrito cinetico agente in senso opposto.

Se il movimento in avanti è considerato positivo, la forza netta viene calcolata come segue:

F_netto= F_lavoratore- F_K

Sostituendo i valori nell'equazione precedente, otteniamo

F_netto= 400 N – 382,2 N = 17,8 N

Domanda 3: Perché il movimento rotatorio subisce attrito?

Risposta:

In teoria, una palla ha un contatto puntuale con la superficie.

Ma in realtà la palla (e/o la superficie) si deforma a causa del carico e l'area di contatto diventa ellittica.

In teoria, le superfici volventi, come quelle che si trovano nella maggior parte dei cuscinetti rotanti e lineari (ad eccezione dei cuscinetti radenti), non dovrebbero incontrare forze di attrito.

Ma nelle applicazioni del mondo reale, tre fattori causano l’attrito sulle superfici rotanti:

1. Microscorrimento tra le superfici (le superfici scivolano l'una rispetto all'altra)

2. Proprietà anelastiche (cioè deformazione) dei materiali

3. Rugosità delle superfici

Domanda 4: Un oggetto di massa 10 kg è posto su una superficie liscia. L'attrito statico tra queste due superfici è pari a 15 N. Trovare il coefficiente di attrito statico?

Soluzione:

Dato

m = 10 kg

F = 15 N

M_S= ?

Lo sappiamo,

Forza normale, N = mg

Quindi, N = 10× 9,81 = 98,1 N

La formula per il coefficiente di attrito statico è:

M_S= 15/N

chiave candidata

M_S= 15/98,1

M _S = 0,153

Domanda 5: La forza normale e la forza di attrito statico di un oggetto sono rispettivamente 50 N e 80 N. Trovare il coefficiente di attrito statico?

Soluzione:

Dato

N = 50 N

F = 80 N e μ_S= ?

La formula per il coefficiente di attrito statico è

M_S= F/N

M_S= 80/50

M_S= 1,6

Domanda 6: Qual è la relazione tra attrito statico e cinetico?

Risposta:

La forza di attrito statico mantiene in riposo un oggetto stazionario. Una volta superata la Forza di Attrito Statico, la Forza di Attrito Cinetico è ciò che rallenta un oggetto in movimento.

Domanda 7: Un frigorifero pesa 1619 N e il coefficiente di attrito statico è 0,50. Qual è la forza minima utilizzata per spostare il frigorifero?

Soluzione:

Dati forniti:

Peso del frigorifero, L=1619 N

L=1619N

Coefficiente di attrito statico, μ_S= 0,50

La forza minima necessaria per spostare il frigorifero può essere data come:

F = m_SIN

F = 0,50 × 1619

F = 809,50N.