L'attrito è un fenomeno fisico con cui una persona lotta per ridurlo in tutte le parti rotanti e scorrevoli dei meccanismi, senza il quale, tuttavia, il movimento di uno qualsiasi di questi meccanismi è impossibile. In questo articolo considereremo, dal punto di vista della fisica, qual è la forza di attrito volvente.
Quali tipi di forze di attrito esistono in natura?
Prima di tutto, considera quale posto occupa l'attrito volvente tra le altre forze di attrito. Queste forze sorgono come risultato del contatto di due corpi diversi. Può essere un corpo solido, liquido o gassoso. Ad esempio, il volo di un aereo nella troposfera è accompagnato dalla presenza di attrito tra il suo corpo e le molecole d'aria.
Considerando esclusivamente i corpi solidi, si distinguono le forze di attrito di riposo, scorrimento e rotolamento. Ognuno di noi ha notato: per far muovere una scatola sul pavimento, è necessario applicare una certa forza lungo la superficie del pavimento. Il valore della forza che porterà le scatole a riposo sarà uguale in valore assoluto alla forza di attrito a riposo. Quest'ultimo agisce tra il fondo del box e la superficie del pavimento.
Comeuna volta che la scatola ha iniziato il suo movimento, è necessario applicare una forza costante per mantenere uniforme questo movimento. Questo fatto è connesso al fatto che tra il contatto del pavimento e la scatola, la forza di attrito radente agisce su quest'ultima. Di norma, è diverse decine di percento in meno rispetto all'attrito statico.
Se metti dei cilindri rotondi di materiale duro sotto la scatola, sarà molto più facile spostarla. La forza di attrito volvente agirà sui cilindri in rotazione durante il movimento sotto la scatola. Di solito è molto più piccolo delle due forze precedenti. Ecco perché l'invenzione della ruota da parte dell'uomo è stato un enorme passo avanti verso il progresso, perché le persone erano in grado di spostare carichi molto più grandi con poca forza applicata.
Natura fisica dell'attrito volvente
Perché si verifica l'attrito volvente? Questa domanda non è facile. Per rispondere, si dovrebbe considerare in dettaglio cosa succede alla ruota e alla superficie durante il processo di laminazione. Innanzitutto, non sono perfettamente lisci, né la superficie della ruota, né la superficie su cui rotola. Tuttavia, questa non è la principale causa di attrito. Il motivo principale è la deformazione di uno o entrambi i corpi.
Tutti i corpi, indipendentemente dal materiale solido di cui sono fatti, sono deformati. Maggiore è il peso del corpo, maggiore è la pressione che esercita sulla superficie, il che significa che si deforma nel punto di contatto e deforma la superficie. Questa deformazione in alcuni casi è così piccola da non superare il limite elastico.
Bdurante il rotolamento della ruota, le zone deformate dopo la cessazione del contatto con la superficie ripristinano la loro forma originaria. Tuttavia, queste deformazioni si ripetono ciclicamente con un nuovo giro della ruota. Qualsiasi deformazione ciclica, anche se rientra nel limite elastico, è accompagnata da isteresi. In altre parole, a livello microscopico, la forma del corpo prima e dopo la deformazione è diversa. L'isteresi dei cicli di deformazione durante il rotolamento della ruota porta alla "dispersione" di energia, che si manifesta in pratica sotto forma di apparizione di una forza di attrito volvente.
Rotolamento del corpo perfetto
Sotto il corpo ideale in questo caso intendiamo che è indeformabile. Nel caso di una ruota ideale, la sua area di contatto con la superficie è zero (tocca la superficie lungo la linea).
Caratterizziamo le forze che agiscono su una ruota indeformabile. In primo luogo, si tratta di due forze verticali: il peso corporeo P e la forza di reazione del supporto N. Entrambe le forze passano per il baricentro (asse della ruota), quindi non partecipano alla creazione della coppia. Per loro puoi scrivere:
P=N
In secondo luogo, si tratta di due forze orizzontali: una forza esterna F che spinge la ruota in avanti (passa attraverso il centro di massa) e una forza di attrito volvente fr. Quest'ultimo crea una coppia M. Per loro, puoi scrivere le seguenti uguaglianze:
M=frr;
FA=fr
Qui r è il raggio della ruota. Queste uguaglianze contengono una conclusione molto importante. Se la forza di attrito fr è infinitamente piccola, alloracreerà comunque una coppia che farà muovere la ruota. Poiché la forza esterna F è uguale a fr, allora qualsiasi valore infinitamente piccolo di F farà rotolare la ruota. Ciò significa che se il corpo volvente è ideale e non subisce deformazioni durante il movimento, non è necessario parlare di alcuna forza di attrito volvente.
Tutti i corpi esistenti sono reali, cioè subiscono una deformazione.
Rotazione del corpo reale
Ora considera la situazione sopra descritta solo per il caso di corpi reali (deformabili). L'area di contatto tra la ruota e la superficie non sarà più zero, avrà un valore finito.
Analizziamo le forze. Cominciamo con l'azione delle forze verticali, cioè il peso e la reazione del supporto. Sono ancora uguali tra loro, cioè:
N=P
Tuttavia, la forza N ora agisce verticalmente verso l' alto non attraverso l'asse della ruota, ma è leggermente spostata da esso di una distanza d. Se immaginiamo l'area di contatto della ruota con la superficie come l'area di un rettangolo, la lunghezza di questo rettangolo sarà lo spessore della ruota e la larghezza sarà pari a 2d.
Passiamo ora alla considerazione delle forze orizzontali. La forza esterna F non crea ancora una coppia ed è uguale alla forza di attrito fr in valore assoluto, ovvero:
FA=fr.
Il momento delle forze che portano alla rotazione creerà attrito fre la reazione del supporto N. Inoltre, questi momenti saranno diretti in direzioni diverse. L'espressione corrispondente ètipo:
M=Nd - farr
Nel caso di moto uniforme, il momento M sarà uguale a zero, quindi otteniamo:
Nd - frr=0=>
fr=re/reN
L'ultima uguaglianza, tenendo conto delle formule scritte sopra, può essere riscritta come segue:
FA=re/reP
In effetti, abbiamo ottenuto la formula principale per comprendere la forza di attrito volvente. Più avanti nell'articolo lo analizzeremo.
Coefficiente di resistenza al rotolamento
Questo coefficiente è già stato introdotto sopra. È stata data anche una spiegazione geometrica. Stiamo parlando del valore di d. Ovviamente, maggiore è questo valore, maggiore è il momento che crea la forza di reazione del supporto, che impedisce il movimento della ruota.
Il coefficiente di resistenza al rotolamento d, in contrasto con i coefficienti di attrito statico e radente, è un valore dimensionale. Si misura in unità di lunghezza. Nelle tabelle, di solito è espresso in millimetri. Ad esempio, per le ruote dei treni che rotolano su binari in acciaio, d=0,5 mm. Il valore di d dipende dalla durezza dei due materiali, dal carico sulla ruota, dalla temperatura e da altri fattori.
Coefficiente di attrito di rotolamento
Non confonderlo con il precedente coefficiente d. Il coefficiente di attrito volvente è indicato dal simbolo Cr ed è calcolato utilizzando la seguente formula:
Cr=re/re
Questa uguaglianza significa che Cr è adimensionale. È lei che viene data in una serie di tabelle contenenti informazioni sul tipo di attrito considerato. Questo coefficiente è comodo da usare per calcoli pratici,perché non implica conoscere il raggio della ruota.
Il valore di Cr nella maggior parte dei casi è inferiore ai coefficienti di attrito e riposo. Ad esempio, per pneumatici per auto che si muovono su asf alto, il valore di Cr è compreso tra pochi centesimi (0,01 - 0,06). Tuttavia, aumenta in modo significativo quando si utilizzano pneumatici sgonfi su erba e sabbia (≈0,4).
Analisi della formula risultante per la forza fr
Riscriviamo la formula sopra per la forza di attrito volvente:
FA=re/reP=fr
Dall'uguaglianza ne consegue che maggiore è il diametro della ruota, minore è la forza F da applicare affinché si muova. Ora scriviamo questa uguaglianza attraverso il coefficiente Cr, abbiamo:
far=CrP
Come puoi vedere, la forza di attrito è direttamente proporzionale al peso del corpo. Inoltre, con un aumento significativo del peso P, il coefficiente Cr stesso cambia (cresce per l'aumento di d). Nella maggior parte dei casi pratici Cr si trova entro pochi centesimi. A sua volta, il valore del coefficiente di attrito radente è di pochi decimi. Poiché le formule per le forze di attrito volvente e radente sono le stesse, il rotolamento risulta essere vantaggioso da un punto di vista energetico (la forza fr è un ordine di grandezza inferiore alla forza di scorrimento in situazioni più pratiche).
Condizione di rotolamento
Molti di noi hanno riscontrato il problema dello slittamento delle ruote delle auto durante la guida su ghiaccio o fango. Perchè è questosta succedendo? La chiave per rispondere a questa domanda sta nel rapporto tra i valori assoluti delle forze di attrito di rotolamento e di riposo. Scriviamo di nuovo la formula mobile:
FA ≧ CrP
Quando la forza F è maggiore o uguale all'attrito volvente, la ruota inizierà a rotolare. Tuttavia, se questa forza supera il valore dell'attrito statico prima, la ruota scivolerà prima del suo rotolamento.
Quindi, l'effetto di scorrimento è determinato dal rapporto tra i coefficienti di attrito statico e attrito volvente.
Modi per contrastare lo slittamento delle ruote dell'auto
L'attrito volvente di una ruota di automobile su una superficie scivolosa (ad esempio sul ghiaccio) è caratterizzato dal coefficiente Cr=0,01-0,06. Tuttavia, valori di lo stesso ordine è tipico per il coefficiente di attrito statico.
Per evitare il rischio di slittamento delle ruote, vengono utilizzati speciali pneumatici "invernali", in cui sono avvitati chiodi di metallo. Questi ultimi, urtando la superficie del ghiaccio, aumentano il coefficiente di attrito statico.
Un altro modo per aumentare l'attrito statico è modificare la superficie su cui si muove la ruota. Ad esempio, cospargendolo di sabbia o sale.
