Attrito statico e dinamico: descrizione

In questo appunto di fisica parliamo di forze di attrito. Quando spingiamo, tiriamo o solleviamo un oggetto, esercitiamo una forza. Queste azioni ci suggeriscono un’idea intuitiva di forza legata allo sforzo muscolare. Esistono però altre forze, che non sono prodotte dai muscoli. Un razzo spaziale durante il decollo riceve una spinta dai gas di scarico dei motori a reazione. La forza di attrazione gravitazionale mantiene in rotazione il nostro pianeta intorno al Sole, e la Luna intorno alla Terra. Una calamita è in grado di attrarre a sé degli oggetti metallici posti a distanza. Tutti questi esempi ci fanno capire che le forze possono agire a distanza e a contatto.

Forze di contatto e forze a distanza

La forza è una grandezza fisica che descrive l’interazione tra due corpi o due sistemi, infatti, quando è in azione una forza, sono coinvolti sempre due corpi o due sistemi. Se vogliamo spostare un oggetto da un punto A a un punto B dobbiamo interagire con esso, con la nostra mano lo posizioniamo nel punto desiderato.
Le forze sono un po’ come i nomi astratti.
Sappiamo che ci sono ma non possiamo vederle o meglio sappiamo che esistono perché vediamo gli effetti che le forze producono sui corpi.
Quando un oggetto cade dalle nostre mani si muove sempre verso il basso a meno che non siamo noi a lanciarlo verso l’alto. Il motivo per cui gli oggetti cadono verso il basso è perché esiste la forza di gravità che la Terra esercita su tutti i corpi posti sulla sua superficie, chiamata anche forza-peso. Sappiamo che questa forza esiste perché ne apprezziamo l’effetto.
Possiamo fare una prima distinzione tra forze di contatto e forze a distanza
La spinta del vento su una vela o la spinta di galleggiamento (legge di Archimede) dell’acqua sullo scafo di una barca, sono forze di contatto, per le quali è necessaria l’interazione diretta con il corpo per esplicare l’effetto desiderato.
La forza di gravità, la forza elettrica, (legge di Coulomb) sono esempi di forze che agiscono a distanza, per questo tipo di forze non è necessaria l’interazione diretta tra i due corpi o i due sistemi affinché si possa esplicare un determinato effetto.

Per ulteriori approfondimenti sulle caratteristiche della spinta di Archimede vedi anche qui

Forze, grandezze vettoriali

Applicando una forza possiamo spingere una cassa lungo il pavimento in una direzione oppure un’altra, in un verso o nel verso opposto. La forza che applichiamo ha la stessa intensità, ma a seconda dei casi agisce in direzioni e versi differenti e produce effetti diversi.
La forza è una grandezza vettoriale quindi per definirla completamente bisogna specificarne l’intensità, o modulo, la direzione e il verso.
Non basta solo un numero accompagnato da un’unità di misura per definirla completamente. Rappresentiamo quindi le forze con i vettori. Il vettore è un segmento orientato la cui lunghezza rappresenta in scala il modulo della forza, la retta che contiene il segmento orientato è la direzione lungo la quale agisce la forza, il verso rappresentato dalla punta (freccia) del segmento orientato, indica il senso di percorrenza della retta.
La forza si misura in Newton, questa unità di misura è definita come la forza che applicata un corpo di massa 1 kg produce su di esso un accelerazione di Essendo una grandezza vettoriale, se su un corpo agiscono più forze l’effetto complessivo è equivalente a quello di una singola forza, la risultante

[math]\overrightarrow{R}[/math]

data dalla somma vettoriale di tutte le forze agenti.

Forze di attrito, forze passive

Camminare su una lastra di ghiaccio non è semplice perché si scivola con molta facilità. Camminare sull’asfalto o su di un prato è decisamente più facile. Se con un cucchiaino proviamo a girare in un vasetto di miele avvertiamo una resistenza che rende difficoltosa l’operazione. La resistenza che avvertiamo diminuisce in un vasetto di yogurt e si riduce ulteriormente nell’acqua.

Qual è la causa di queste forze resistenti?

Esistono delle forze di contatto che si oppongono al movimento in particolare allo scivolamento di due superfici a contatto. Queste forze si definiscono forze di attrito, dette anche forze passive.
Se lanciamo una palla su di un pavimento per quanto liscio esso sia, a un certo punto la palla si ferma perché il suo moto è contrastato dall’attrito che si produce nel contatto con il pavimento. Anche una bicicletta si ferma se vengono tirati i freni, che attraverso le pastiglie generano attrito sulle ruote. Le forze di attrito sono forze che non impediscono il moto, ma lo ostacolano eppure contemporaneamente favoriscono le condizioni indispensabili per produrre certi movimenti, come camminare o far partire un’automobile. Se fra le nostre scarpe e il suolo non ci fosse attrito non sarebbe possibile camminare perché i piedi scivolerebbero, e l’automobile, senza l’attrito fra gli pneumatici e la strada, non potrebbe partire perché le ruote slitterebbero proprio come avviene sul ghiaccio dove l’attrito è ridottissimo.
Le forze di attrito sono forze che si oppongono allo scivolamento di due superfici a contatto.

Attrito statico e attrito dinamico

Quando un corpo striscia su una superficie si parla di attrito radente, quando un corpo rotola su una superficie si parla di attrito volvente.
L’attrito radente si distingue ancora in attrito dinamico e in attrito statico
La forza di attrito statico tende a impedire che un oggetto fermo su una superficie si distacchi da essa non dipende dall’area della superficie di contatto e può assumere qualsiasi valore tra zero e la forza massima di attrito statico.
Quando vogliamo far scivolare un oggetto su di una superficie, avvertiamo un po’ di resistenza perché c’è attrito tra la superficie e la base del nostro oggetto, ad esempio una cassa o una scatola poggiata sul pavimento. A questo punto iniziamo a spingere sempre più forte, appena la nostra scatola comincia a muoversi vuol dire che abbiamo applicato una forza pari proprio alla massima forza di attrito statico quindi siamo riusciti a vincere l’attrito e a spostare l’oggetto.
La forza di attrito statico

[math]F_s[/math]

è direttamente proporzionale alla forza premente

[math]F_{\perp}[/math]

sulla superficie di scivolamento, detta anche forza normale:

è la costante di proporzionalità, ed è detta coefficiente di attrito statico.
La forza massima di attrito statico è detta anche forza di primo distacco perché rappresenta il massimo valore che può assumere la forza di attrito ed è quella da annullare per mettere in movimento il corpo. La forza di primo distacco si calcola dunque moltiplicando il coefficiente di attrito statico per la forza normale cioè una forza perpendicolare al piano di scivolamento. Se il piano lungo cui avviene il moto è perfettamente orizzontale la forza premente coincide con il peso del corpo e, nel caso vi siano altre forze verticali applicate bisogna considerare il loro contributo.
Quando il corpo si trova su di un piano inclinato La forza normale va scomposta nelle due direzioni parallela e perpendicolare al piano. La componente che influisce sulla forza di attrito è quella perpendicolare che dipende anche dall’inclinazione del piano attraverso l’angolo:

Attrito dinamico

Una volta che il corpo ha iniziato il suo moto l’attrito cambia forma e diventa dinamico, l’espressione è la stessa dell’attrito statico, indicato questa volta con il pedice “d”:

I valori del coefficiente di attrito dinamico sono inferiori rispetto a quelli di

.

Riassumendo
La forza di attrito statico tra due superfici:

• dipende dai materiali di cui sono fatte le due superfici
• non dipende dall’area di contatto
• è parallela alle due superfici a contatto
• ha verso tale da opporsi al movimento
• può assumere qualunque intensità compresa tra zero e un valore massimo
• ha intensità massima direttamente proporzionale al modulo della forza premente

La forza di attrito dinamico:

• dipende dai materiali di cui sono fatte le due superfici
• non dipende dall’area di contatto
• è parallela alle due superfici a contatto
• ha verso opposto a quello del moto
• ha modulo direttamente proporzionale a quello della forza premente

La forza di attrito dinamico si manifesta dunque nel momento in cui il corpo è già in movimento ed è sempre minore della forza di attrito statico.
Per uno stesso corpo su una data superficie, il coefficiente di attrito statico è sempre maggiore di quello di attrito dinamico, questo significa che la massima intensità della forza di attrito che può sviluppare la superficie quando il corpo è fermo è maggiore dell’intensità della forza di attrito durante il movimento.
I coefficienti di attrito dipendono dalla natura delle superfici a contatto, e anche da altri fattori: variano a seconda che le superfici siano più o meno levigate, e cambiano se sono bagnate e lubrificate.

Attrito volvente e attrito viscoso

Quando un corpo si muove su di una superficie non strisciando ma rotolando si parla di attrito volvente. Una palla che rotola, uno pneumatico di automobile o una ruota di bicicletta, nel loro moto incontrano attrito volvente.
In tutti questi casi la superficie di contatto tra il corpo che rotola e il piano lungo cui avviene il moto si riduce ad un punto di tangenza. I valori dell’attrito volvente rispetto all’attrito statico e dinamico sono inferiori.
Quando un corpo si muove all’interno di un fluido, si esercitano delle forze tra la superficie del corpo e il fluido stesso. Le forze di attrito che ostacolano il moto sono dette forze di attrito viscoso. Possiamo sperimentare questo tipo di forza ad esempio quando nuotiamo, oppure quando siamo in auto e sporgiamo la nostra mano fuori dal finestrino. Sentiamo il flusso d’aria che spinge e avvolge la nostra mano.
Anche efferenza di un corpo solido le molecole di un fluido sono dotate di una mobilità relativa. Anche le molecole d’acqua hanno questa capacità di muoversi infatti l’acqua può scorrere liberamente anche su di una superficie piana. Un fluido come l’olio oppure come il miele scorrono con maggiore difficoltà questo a causa di una loro resistenza interna che va sotto il nome di viscosità. Se questa viscosità è elevata diventa complicato muoversi all’interno di questi fluidi perché l’attrito viscoso è forte.

Per ulteriori approfondimenti sulla viscosità dinamica vedi anche qui