Ogni studente sa che quando c'è contatto tra due superfici solide, sorge la cosiddetta forza di attrito. Consideriamo in questo articolo di cosa si tratta, concentrandoci sul punto di applicazione della forza di attrito.
Che tipo di forza di attrito ci sono?
Prima di considerare il punto di applicazione della forza di attrito, è necessario ricordare brevemente quali tipi di attrito esistono in natura e tecnologia.
Iniziamo a considerare l'attrito statico. Questo tipo caratterizza lo stato di un corpo solido a riposo su una certa superficie. L'attrito di riposo impedisce qualsiasi spostamento del corpo dal suo stato di riposo. Ad esempio, a causa dell'azione di questa stessa forza, è difficile per noi spostare un mobile in piedi sul pavimento.
L'attrito scorrevole è un altro tipo di attrito. Si manifesta nel caso di contatto tra due superfici che scorrono l'una sull' altra. L'attrito radente si oppone al movimento (la direzione della forza di attrito è opposta alla velocità del corpo). Un esempio lampante della sua azione è uno sciatore o un pattinatore che scivola sul ghiaccio sulla neve.
Infine, il terzo tipo di attrito è il rotolamento. Esiste sempre quando un corpo rotola sulla superficie di un altro. Ad esempio, il rotolamento di una ruota o dei cuscinetti sono i primi esempi in cui l'attrito volvente è importante.
I primi due dei tipi descritti sorgono a causa della rugosità sulle superfici di sfregamento. Il terzo tipo è dovuto all'isteresi di deformazione del corpo rotante.
Punti di applicazione delle forze di attrito di scorrimento e di riposo
È stato detto sopra che l'attrito statico impedisce la forza agente esterna, che tende a spostare l'oggetto lungo la superficie di contatto. Ciò significa che la direzione della forza di attrito è opposta alla direzione della forza esterna parallela alla superficie. Il punto di applicazione della forza di attrito considerata è nell'area di contatto tra due superfici.
È importante capire che la forza di attrito statico non è un valore costante. Ha un valore massimo, che viene calcolato utilizzando la seguente formula:
Fat=µtN.
Tuttavia, questo valore massimo compare solo quando il corpo inizia il suo movimento. In ogni altro caso, la forza di attrito statico è esattamente uguale in valore assoluto alla superficie parallela della forza esterna.
Per quanto riguarda il punto di applicazione della forza di attrito radente, non differisce da quello per l'attrito statico. Parlando della differenza tra attrito statico e attrito radente, va notato il significato assoluto di queste forze. Pertanto, la forza di attrito radente per una data coppia di materiali è un valore costante. Inoltre, è sempre inferiore alla forza massima di attrito statico.
Come puoi vedere, il punto di applicazione delle forze di attrito non coincide con il baricentro del corpo. Ciò significa che le forze in esame creano un momento tendente a rib altare in avanti il corpo scorrevole. Quest'ultimo può essere osservato quando il ciclista frena forte con la ruota anteriore.
Attrito di rotolamento e suo punto di applicazione
Poiché la causa fisica dell'attrito volvente è diversa da quella dei tipi di attrito discussi sopra, il punto di applicazione della forza di attrito volvente ha un carattere leggermente diverso.
Supponiamo che la ruota dell'auto sia sul marciapiede. È ovvio che questa ruota è deformata. L'area del suo contatto con l'asf alto è pari a 2dl, dove l è la larghezza della ruota, 2d è la lunghezza del contatto laterale della ruota e dell'asf alto. La forza di attrito volvente, nella sua essenza fisica, si manifesta sotto forma di momento di reazione del supporto diretto contro la rotazione della ruota. Questo momento è calcolato come segue:
M=Nd
Se lo dividiamo e lo moltiplichiamo per il raggio della ruota R, otteniamo:
M=Nd/RR=FtR dove Ft=Nd/R
Quindi, la forza di attrito volvente Ft è in re altà la reazione del supporto, creando un momento di forza che tende a rallentare la rotazione della ruota.
Il punto di applicazione di questa forza è diretto verticalmente verso l' alto rispetto alla superficie del piano ed è spostato a destra dal centro di massa di d (supponendo che la ruota si muova da sinistra a destra).
Esempio di risoluzione dei problemi
Azionela forza di attrito di qualsiasi tipo tende a rallentare il movimento meccanico dei corpi, convertendo la loro energia cinetica in calore. Risolviamo il seguente problema:
barra scorre su una superficie inclinata. È necessario calcolare l'accelerazione del suo movimento se è noto che il coefficiente di scorrimento è 0,35 e l'angolo di inclinazione della superficie è 35o.
Consideriamo quali forze agiscono sulla barra. In primo luogo, la componente di gravità è diretta verso il basso lungo la superficie di scorrimento. È uguale a:
F=mgpeccato(α)
In secondo luogo, una forza di attrito costante agisce verso l' alto lungo il piano, che è diretta contro il vettore di accelerazione del corpo. Può essere determinato dalla formula:
Fat=µtN=µtmgcos (α)
Allora la legge di Newton per una barra che si muove con accelerazione a assumerà la forma:
ma=mgsin(α) - µtmgcos(α)=>
a=gpeccato(α) - µtgcos(α)
Sostituendo i dati in uguaglianza, otteniamo che a=2,81 m/s2. Nota che l'accelerazione trovata non dipende dalla massa della barra.
