Che cos'è l'attrito statico?
L'attrito statico è una forza che resiste al movimento di due oggetti uno contro l'altro quando gli oggetti sono inizialmente a riposo. Un semplice esempio è un blocco di legno seduto su una rampa: è necessario applicare una forza per far scivolare il blocco lungo la rampa. Un altro termine, attrito cinetico, si applica alla forza che si oppone agli oggetti che si stanno già muovendo l'uno contro l'altro. La forza di queste forze può essere calcolata ed è nota come coefficiente di attrito. Nelle situazioni di vita reale, il coefficiente di attrito statico è quasi sempre maggiore di quello per gli studi cinetici, ma in esperimenti attentamente controllati, in cui le superfici degli oggetti sono state accuratamente pulite, i due sono generalmente gli stessi.
Tipicamente, all'aumentare della forza applicata a un oggetto su una superficie, la forza di attrito statica inizialmente aumenta per combaciare con esso, in modo che l'oggetto non si sposti. Dopo un certo punto, tuttavia, l'oggetto inizierà a muoversi e, a questo punto, la forza di attrito diminuirà, quindi è necessaria meno forza per mantenere l'oggetto in movimento. Ad esempio, la forza di attrito può corrispondere alla forza applicata fino a 50 newton - la forza viene misurata in newton (N) - ma in seguito può scendere a 40 N. Pertanto, per ottenere l'oggetto è necessaria una forza di poco superiore a 50 N in movimento, ma in seguito saranno sufficienti poco più di 40 N.
Calcolo del coefficiente
I coefficienti di attrito statici possono essere calcolati per qualsiasi materiale solido o coppia di materiali. Un valore di coefficiente potrebbe pertanto applicarsi a legno su legno, acciaio su acciaio o acciaio su legno. Un modo per calcolare il valore di una coppia di materiali è posizionare un blocco di un materiale su una rampa fatta dell'altro - per un singolo materiale, il blocco e la rampa sarebbero fatti della stessa sostanza. La pendenza sulla rampa viene gradualmente aumentata, fino a quando il blocco non scorre verso il basso. L'angolo in cui ciò accade può quindi essere utilizzato per calcolare il coefficiente di attrito statico.
Al coefficiente, quando usato in formule ed equazioni, viene dato il simbolo μ - la lettera greca mu. Di solito viene utilizzato un pedice per distinguere i due: μ s indica attrito statico, mentre μ k significa attrito cinetico. Ad esempio, i μ s per acciaio su acciaio sono 0,74, mentre i μ k per questo materiale è 0,57. Questi valori sono per situazioni tipiche della vita reale e possono variare leggermente, a seconda delle circostanze. Poiché il valore di μ s può essere influenzato da irregolarità della superficie, sporco e tracce di altre sostanze, il valore di μ k è considerato più accurato ed è quello solitamente indicato quando è richiesto un semplice coefficiente di attrito.
Fattori che influenzano l'attrito
Numerosi fattori contribuiscono all'attrito statico, ma di solito il più importante è la rugosità delle superfici. Anche se levigati, materiali diversi varieranno in termini di dettagli precisi delle loro superfici. In termini pratici, nessuna superficie è completamente liscia, ma alcune avranno irregolarità più grandi di altre. La differenza è evidente, in alcuni casi: ad esempio, un foglio di seta ha una trama molto liscia che crea meno attrito, mentre una strada asfaltata asciutta è ruvida, generando più resistenza ai movimenti. Altri fattori includono l'attrazione elettrostatica e i tipi di legami chimici deboli che possono formarsi tra le superfici.
Esempi
Molte persone hanno familiarità con l'attrito statico, poiché lo incontrano quasi quotidianamente; per esempio, è al lavoro quando qualcuno fa scorrere un libro su un tavolo. Inizialmente, una piccola quantità di forza deve essere esercitata per far muovere il libro, ma una volta che si muove, entra in gioco l'attrito cinetico e saranno necessari meno sforzi per spostarlo. La quantità di forza richiesta può variare in base alle circostanze. Ad esempio, se un libro ha una copertina di una biblioteca e si è inumidito, il libro bagnato richiederà più forza per spostarsi, mentre un libro tascabile nuovo di zecca potrebbe scivolare molto facilmente su un tavolo di legno asciutto con una superficie verniciata.
Sono disponibili tabelle dei coefficienti di attrito statico e cinetico per molti materiali comuni e relative combinazioni. Un valore più elevato indica un maggiore attrito, quindi è necessario applicare più forza per causare movimento. Ad esempio, i μ s per alluminio su alluminio sono 1,05 - 1,35, che è molto alto, mentre il valore per politetrafluoroetilene (PTFE) su PTFE è 0,04, che è estremamente basso e lo rende molto scivoloso. È difficile far muovere un'auto ferma a causa dell'attrito intenzionale tra le gomme e il terreno; questo consente al guidatore un maggiore controllo e rende meno probabile che l'auto scivoli.
Calcolo della distanza di frenata
Un esempio dell'applicazione dell'attrito statico è nel calcolo della distanza di rottura per un'automobile a una determinata velocità e in condizioni particolari. In circostanze normali, quando le ruote girano su strada, si applica l'attrito statico, anziché cinetico. Il μ s per una gomma asciutta su una strada asciutta è di circa 1,00, mentre il valore per una gomma bagnata su una strada bagnata è solo 0,2 - ciò significa che la distanza di frenata sarà cinque volte maggiore in condizioni di bagnato. In condizioni di asciutto, un'auto che viaggia a 50 km / h ha una distanza di frenata di 10 metri (33 piedi), mentre in condizioni di bagnato la distanza di frenata sarebbe di 50 metri (164 piedi). Quando le gomme scivolano, anziché rotolare, lungo la superficie - come potrebbe essere il caso in condizioni di ghiaccio - è l'attrito cinetico che è importante.