Ognuno di noi ha familiarità con la manifestazione della forza di attrito. In effetti, qualsiasi movimento nella vita di tutti i giorni, che si tratti di camminare con una persona o di spostare un veicolo, è impossibile senza la partecipazione di questa forza. In fisica, è consuetudine studiare tre tipi di forze di attrito. In questo articolo, ne considereremo uno, scopriremo cos'è l'attrito statico.
Bar su una superficie orizzontale
Prima di procedere a rispondere alle domande, qual è la forza di attrito statico ea cosa è uguale, consideriamo un semplice caso con una barra che giace su una superficie orizzontale.
Analizziamo quali forze agiscono sulla barra. Il primo è il peso dell'oggetto stesso. Indichiamolo con la lettera P. È diretto verticalmente verso il basso. In secondo luogo, questa è la reazione del supporto N. È diretto verticalmente verso l' alto. La seconda legge di Newton per il caso in esame sarà scritta nella forma seguente:
ma=P - N.
Il segno meno qui riflette le direzioni opposte del peso e dei vettori di reazione del supporto. Poiché il blocco è fermo, il valore di a è zero. Quest'ultimo significa che:
P - N=0=>
P=N.
La reazione del supporto bilancia il peso del corpo ed è uguale ad esso in valore assoluto.
Forza esterna che agisce su una barra su una superficie orizzontale
Ora aggiungiamo un' altra forza agente alla situazione sopra descritta. Supponiamo che una persona inizi a spingere un blocco lungo una superficie orizzontale. Indichiamo questa forza con la lettera F. Si può notare una situazione sorprendente: se la forza F è piccola, nonostante la sua azione, la barra continua a poggiare sulla superficie. Il peso del corpo e la reazione del supporto sono diretti perpendicolarmente alla superficie, quindi le loro proiezioni orizzontali sono pari a zero. In altre parole, le forze P e N non possono in alcun modo opporsi a F. In tal caso, perché la barra rimane ferma e non si muove?
Ovviamente, deve esserci una forza diretta contro la forza F. Questa forza è l'attrito statico. È diretto contro F lungo una superficie orizzontale. Agisce nella zona di contatto tra il bordo inferiore della barra e la superficie. Indichiamolo con il simbolo Ft. La legge di Newton per la proiezione orizzontale sarà scritta come:
FA=FAt.
Quindi il modulo della forza di attrito statico è sempre uguale al valore assoluto delle forze esterne agenti lungo la superficie orizzontale.
Inizio del movimento della barra
Per scrivere la formula dell'attrito statico, proseguiamo l'esperimento iniziato nei paragrafi precedenti dell'articolo. Aumenteremo il valore assoluto della forza esterna F. La barra rimarrà ancora ferma per un po' di tempo, ma arriverà un momento in cui inizierà a muoversi. A questo punto, la forza di attrito statico raggiungerà il suo valore massimo.
Per trovare questo valore massimo, prendi un' altra barra esattamente uguale alla prima e mettila sopra. L'area di contatto della barra con la superficie non è cambiata, ma il suo peso è raddoppiato. Si è riscontrato sperimentalmente che anche la forza F di distacco della barra dalla superficie è raddoppiata. Questo fatto ha permesso di scrivere la seguente formula per l'attrito statico:
Fat=µsP.
Ovvero il valore massimo della forza di attrito risulta essere proporzionale al peso del corpo P, dove il parametro µs funge da coefficiente di proporzionalità. Il valore µs è chiamato coefficiente di attrito statico.
Poiché il peso corporeo nell'esperimento è uguale alla forza di reazione del supporto N, la formula per Ft può essere riscritta come segue:
Fat=µsN.
A differenza della precedente, questa espressione è sempre utilizzabile, anche quando il corpo è su un piano inclinato. Il modulo della forza di attrito statico è direttamente proporzionale alla forza di reazione del supporto con cui la superficie agisce sul corpo.
Cause fisiche della forza Ft
La domanda sul perché si verifica l'attrito statico è complessa e richiede la considerazione del contatto tra i corpi a livello microscopico e atomico.
In generale, ci sono due cause fisiche della forzaFt:
- Interazione meccanica tra picchi e avvallamenti.
- Interazione fisico-chimica tra atomi e molecole di corpi.
Non importa quanto sia liscia una superficie, presenta irregolarità e disomogeneità. Approssimativamente, queste disomogeneità possono essere rappresentate come picchi e depressioni microscopici. Quando il picco di un corpo cade nella cavità di un altro corpo, si verifica un accoppiamento meccanico tra questi corpi. Un numero enorme di accoppiamenti microscopici è uno dei motivi della comparsa dell'attrito statico.
Il secondo motivo è l'interazione fisica e chimica tra le molecole o gli atomi che compongono il corpo. È noto che quando due atomi neutri si avvicinano, possono verificarsi alcune interazioni elettrochimiche tra di loro, ad esempio interazioni dipolo-dipolo o di van der Waals. Al momento dell'inizio del movimento, la barra è costretta a superare queste interazioni per staccarsi dalla superficie.
Caratteristiche della forza Ft
Si è già notato sopra a cosa è uguale la massima forza di attrito statico, ed è indicato anche il suo verso di azione. Qui elenchiamo altre caratteristiche della quantità Ft.
L'attrito a riposo non dipende dall'area di contatto. È determinato esclusivamente dalla reazione del supporto. Maggiore è l'area di contatto, minore è la deformazione dei picchi e degli avvallamenti microscopici, ma maggiore è il loro numero. Questo fatto intuitivo spiega perché il massimo Ftt non cambierà se la misura viene ruotata sul bordo con il più piccoloarea.
L'attrito a riposo e l'attrito radente sono della stessa natura, descritti dalle stesse formule, ma il secondo è sempre minore del primo. L'attrito di scorrimento si verifica quando il blocco inizia a muoversi lungo la superficie.
Force Ft è una quantità sconosciuta nella maggior parte dei casi. La formula che viene data sopra corrisponde al valore massimo di Ft nel momento in cui la barra inizia a muoversi. Per comprendere più chiaramente questo fatto, di seguito è riportato un grafico della dipendenza della forza Ft dall'influenza esterna F.
Si può vedere che all'aumentare di F, l'attrito statico aumenta linearmente, raggiunge un massimo e poi diminuisce quando il corpo inizia a muoversi. Durante il movimento non è più possibile parlare della forza Ft, in quanto sostituita dall'attrito radente.
Infine, l'ultima caratteristica importante della forza di Ft è che non dipende dalla velocità del movimento (a velocità relativamente elevate, Ftdiminuisce).
Coefficiente di attrito µs
Poiché µs compare nella formula per il modulo di attrito, bisognerebbe dire qualche parola a riguardo.
Il coefficiente di attrito µs è una caratteristica unica delle due superfici. Non dipende dal peso corporeo, è determinato sperimentalmente. Ad esempio, per una coppia albero-albero, varia da 0,25 a 0,5 a seconda del tipo di albero e della qualità del trattamento superficiale dei corpi di sfregamento. Per superfici in legno cerateneve bagnata µs=0,14, e per le articolazioni umane questo coefficiente assume valori molto bassi (≈0,01).
Qualunque sia il valore di µs per la coppia di materiali in esame, un simile coefficiente di attrito radente µk sarà sempre più piccola. Ad esempio, quando si fa scorrere un albero su un albero, è uguale a 0,2 e per le articolazioni umane non supera 0,003.
Poi considereremo la soluzione di due problemi fisici in cui possiamo applicare le conoscenze acquisite.
Barra su piano inclinato: calcolo della forza Ft
Il primo compito è abbastanza semplice. Supponiamo che un blocco di legno si trovi su una superficie di legno. La sua massa è di 1,5 kg. La superficie è inclinata di un angolo di 15o rispetto all'orizzonte. È necessario determinare la forza di attrito statico se si sa che la barra non si muove.
Il problema di questo problema è che molte persone iniziano calcolando la reazione del supporto e quindi utilizzando i dati di riferimento per il coefficiente di attrito µs, utilizzare quanto sopra formula per determinare il valore massimo di F t. Tuttavia, in questo caso, Ft non è il massimo. Il suo modulo è uguale solo alla forza esterna, che tende a spostare la barra dalla sua posizione lungo il piano. Questa forza è:
F=mgpeccato(α).
Allora la forza di attrito Ft sarà uguale a F. Sostituendo i dati in uguaglianza, otteniamo la risposta: la forza di attrito statico su un piano inclinato F t=3,81 newton.
Barra su piano inclinato: calcoloangolo di inclinazione massimo
Ora risolviamo il seguente problema: un blocco di legno si trova su un piano inclinato di legno. Assumendo il coefficiente di attrito pari a 0,4, è necessario trovare il massimo angolo di inclinazione α del piano rispetto all'orizzonte, al quale la barra comincerà a scorrere.
Lo scorrimento inizierà quando la proiezione del peso corporeo sul piano diventa uguale alla massima forza di attrito statico. Scriviamo la condizione corrispondente:
FA=FAt=>
mgsin(α)=µsmgcos(α)=>
tg(α)=µs=>
α=arctan(µs).
Sostituendo il valore µs=0, 4 nell'ultima equazione, otteniamo α=21, 8o.
