La forza di attrito è una quantità fisica che impedisce qualsiasi movimento del corpo. Si verifica, di regola, quando i corpi si muovono nella materia solida, liquida e gassosa. Vari tipi di forze di attrito svolgono un ruolo importante nella vita umana, poiché impediscono un aumento eccessivo della velocità dei corpi.
Classificazione delle forze di attrito
Nel caso generale, tutti i tipi di forze di attrito sono descritti da tre tipi: la forza di attrito di scorrimento, rotolamento e riposo. Il primo è statico, gli altri due sono dinamici. L'attrito a riposo impedisce al corpo di iniziare a muoversi, a sua volta, durante lo scorrimento, esiste attrito quando il corpo sfrega contro la superficie di un altro corpo durante il suo movimento. L'attrito volvente si verifica quando un oggetto rotondo si muove. Facciamo un esempio. Un esempio lampante del tipo (forza di attrito volvente) è il movimento delle ruote dell'auto sull'asf alto.
La natura delle forze di attrito è l'esistenza di microscopiche imperfezioni tra le superfici di sfregamento di due corpi. Per questo motivo, la forza risultante agisce suun oggetto in movimento o che inizia a muoversi, è costituito dalla somma della forza della reazione normale del supporto N, che è diretta perpendicolarmente alla superficie dei corpi in contatto, e della forza di attrito F. Quest'ultima è diretta parallelamente al superficie di contatto ed è opposto al movimento del corpo.
Attrito tra due solidi
Quando si considera la questione dei diversi tipi di forze di attrito, sono stati osservati i seguenti schemi per due corpi solidi:
- La forza di attrito è diretta parallelamente alla superficie di supporto.
- Il coefficiente di attrito dipende dalla natura delle superfici di contatto e dalle loro condizioni.
- La forza di attrito massima è direttamente proporzionale alla forza normale o alla reazione di supporto che agisce tra le superfici di contatto.
- Per gli stessi corpi, la forza di attrito è maggiore prima che il corpo inizi a muoversi e poi diminuisce quando il corpo inizia a muoversi.
- Il coefficiente di attrito non dipende dall'area di contatto, e praticamente non dipende dalla velocità di scorrimento.
Leggi
Riassumendo il materiale sperimentale sulle leggi del moto, abbiamo stabilito le seguenti leggi di base relative all'attrito:
- La resistenza allo scivolamento tra due corpi è proporzionale alla forza normale che agisce tra di loro.
- La resistenza al movimento tra i corpi in sfregamento non dipende dall'area di contatto tra di loro.
Per dimostrare la seconda legge, possiamo fare il seguente esempio: se prendi un blocco e lo muovi facendolo scorrere sulla superficie, allora la forza necessaria per tale movimentosarà lo stesso quando il blocco giace sulla superficie con il suo lato lungo e quando sta con la sua estremità.
Le leggi relative ai vari tipi di forze di attrito in fisica furono scoperte alla fine del XV secolo da Leonardo da Vinci. Poi furono dimenticati per molto tempo, e solo nel 1699 furono riscoperti dall'ingegnere francese Amonton. Da allora, le leggi dell'attrito portano il suo nome.
Perché la forza di attrito è maggiore di quella dello scorrimento a riposo?
Quando si considerano diversi tipi di forze di attrito (di riposo e di scorrimento), va notato che la forza di attrito statico è sempre minore o uguale al prodotto del coefficiente di attrito statico e della forza di reazione del supporto. Il coefficiente di attrito è determinato sperimentalmente per questi materiali di sfregamento e riportato nelle apposite tabelle.
La forza dinamica viene calcolata allo stesso modo della forza statica. Solo in questo caso il coefficiente di attrito viene utilizzato in modo specifico per lo scorrimento. Il coefficiente di attrito è solitamente indicato dalla lettera greca Μ (mu). Pertanto, la formula generale per entrambe le forze di attrito è: Ftr=ΜN, dove N è la forza di reazione del supporto.
La natura della differenza tra questi tipi di forze di attrito non è stata stabilita con precisione. Tuttavia, la maggior parte degli scienziati ritiene che la forza di attrito statico sia maggiore di quella di scorrimento, perché quando i corpi sono a riposo l'uno rispetto all' altro per qualche tempo, possono formarsi legami ionici o microfusioni di singoli punti delle superfici tra le loro superfici. Questi fattori causano un aumento dell'elettricità staticaindicatore.
Un esempio di diversi tipi di forza di attrito e della loro manifestazione è il pistone nel cilindro del motore di un'auto, che viene "saldato" al cilindro se il motore non è in funzione per molto tempo.
Corpo scorrevole orizzontale
Otteniamo l'equazione del moto di un corpo che, sotto l'azione di una forza esterna Fin, inizia a muoversi lungo la superficie scivolando. In questo caso, le seguenti forze agiscono sul corpo:
- FAv – forza esterna;
- Ftr – forza di attrito che è opposta in direzione alla forza Fv;
- N è la forza di reazione del supporto, che è uguale in valore assoluto al peso del corpo P ed è diretta alla superficie, cioè ad angolo retto rispetto ad essa.
Tenendo conto delle direzioni di tutte le forze, scriviamo la seconda legge di Newton per questo caso di moto: Fv - Ftr=ma, dove m - massa corporea, a - accelerazione del movimento. Sapendo che Ftr=ΜN, N=P=mg, dove g è l'accelerazione di caduta libera, otteniamo: Fv – Μmg=ma. Da cui, esprimendo l'accelerazione con cui si muove il corpo scorrevole, otteniamo: a=F in / m – Μg.
Movimento di un corpo rigido in un liquido
Quando si considerano quali tipi di forze di attrito esistono, si dovrebbe menzionare un fenomeno importante in fisica, che è la descrizione di come un corpo solido si muove in un liquido. In questo caso si tratta di attrito aerodinamico, che è determinato in base alla velocità del corpo nel fluido. Ci sono due tipi di movimento:
- Quandoun corpo rigido si muove a bassa velocità, si parla di moto laminare. La forza di attrito nel moto laminare è proporzionale alla velocità. Un esempio è la legge di Stokes per i corpi sferici.
- Quando il movimento di un corpo in un fluido avviene a una velocità superiore a un certo valore di soglia, i vortici dei flussi di fluido iniziano ad apparire attorno al corpo. Questi vortici creano una forza aggiuntiva che impedisce il movimento e, di conseguenza, la forza di attrito è proporzionale al quadrato della velocità.
Natura della forza di attrito volvente
Quando si parla dei tipi di forze di attrito, è consuetudine chiamare la forza di attrito volvente il terzo tipo. Si manifesta quando un corpo rotola su una certa superficie e si verifica la deformazione di questo corpo e della superficie stessa. Cioè, nel caso di un corpo e di una superficie assolutamente indeformabili, non ha senso parlare della forza di attrito volvente. Diamo un'occhiata più da vicino.
Il concetto di coefficiente di attrito volvente è simile a quello di scorrimento. Poiché non vi è alcuno slittamento tra le superfici dei corpi durante il rotolamento, il coefficiente di attrito volvente è molto inferiore rispetto allo scorrimento.
Il fattore principale che influenza il coefficiente è l'isteresi dell'energia meccanica per il tipo di forza di attrito volvente. In particolare la ruota, a seconda del materiale di cui è composta, nonché del carico che sopporta, si deforma elasticamente durante il movimento. Cicli ripetitivi di deformazione elastica portano al trasferimento di parte dell'energia meccanica in energia termica. Inoltre, a causa didanni, il contatto della ruota e della superficie ha già un'area di contatto finita.
formula della forza di attrito volvente
Se applichiamo l'espressione per il momento di forza che fa ruotare la ruota, possiamo ottenere che la forza di attrito volvente è Ftr.k.=Μ k N / R, qui N è la reazione del supporto, R è il raggio della ruota, Μк – coefficiente di attrito volvente. Pertanto, la forza di attrito volvente è inversamente proporzionale al raggio, il che spiega il vantaggio delle ruote grandi rispetto a quelle piccole.
La proporzionalità inversa di questa forza al raggio della ruota suggerisce che nel caso di due ruote di raggio diverso che hanno la stessa massa e sono fatte dello stesso materiale, la ruota con il raggio maggiore è più facile da muoverti.
Rapporto di rotazione
Secondo la formula per questo tipo di forza di attrito, otteniamo che il coefficiente di attrito volvente Μk ha la dimensione della lunghezza. Dipende principalmente dalla natura dei corpi in contatto. Il valore, che è determinato dal rapporto tra il coefficiente di attrito volvente e il raggio, è chiamato coefficiente di rotolamento, ovvero Ck=Μk / R è una quantità adimensionale.
Il coefficiente di rotolamento Ck è significativamente inferiore al coefficiente di attrito radente Μtr. Pertanto, quando rispondiamo alla domanda su quale tipo di forza di attrito sia la più piccola, possiamo tranquillamente chiamare la forza di attrito volvente. Grazie a questo fatto, l'invenzione della ruota è considerata un passo importante nel progresso tecnologico.umanità.
Il rapporto di rotazione è specifico del sistema e dipende dai seguenti fattori:
- durezza della ruota e della superficie (minore è la deformazione dei corpi che si verifica durante il movimento, minore è il coefficiente di rotolamento);
- raggio ruota;
- peso che agisce sulla ruota;
- superficie di contatto e sua forma;
- viscosità nella zona di contatto tra la ruota e la superficie;
- temperatura corporea
