A força de atrito é uma quantidade física que impede qualquer movimento do corpo. Ocorre, via de regra, quando os corpos se movem em matéria sólida, líquida e gasosa. Vários tipos de forças de atrito desempenham um papel importante na vida humana, pois impedem o aumento excessivo da velocidade dos corpos.
Classificação das forças de atrito
No caso geral, todos os tipos de forças de atrito são descritos por três tipos: a força de atrito de deslizamento, rolamento e repouso. O primeiro é estático, os outros dois são dinâmicos. O atrito em repouso impede que o corpo comece a se mover, por sua vez, ao deslizar, o atrito existe quando o corpo roça contra a superfície de outro corpo durante seu movimento. O atrito de rolamento ocorre quando um objeto redondo se move. Vamos dar um exemplo. Um exemplo marcante do tipo (força de atrito de rolamento) é o movimento das rodas do carro no asf alto.
A natureza das forças de atrito é a existência de imperfeições microscópicas entre as superfícies de atrito de dois corpos. Por esta razão, a força resultante agindo sobreum objeto em movimento ou começando a se mover, consiste na soma da força da reação normal do suporte N, que é direcionada perpendicularmente à superfície dos corpos em contato, e da força de atrito F. Esta última é direcionada paralelamente ao superfície de contato e é oposta ao movimento do corpo.
Atrito entre dois sólidos
Ao considerar a questão dos diferentes tipos de forças de atrito, os seguintes padrões foram observados para dois corpos sólidos:
- A força de atrito é direcionada paralelamente à superfície de apoio.
- O coeficiente de atrito depende da natureza das superfícies de contato, bem como de sua condição.
- A força de atrito máxima está em proporção direta com a força normal ou reação de suporte que atua entre as superfícies de contato.
- Para os mesmos corpos, a força de atrito é maior antes do corpo começar a se mover e depois diminui quando o corpo começa a se mover.
- O coeficiente de atrito não depende da área de contato, e praticamente não depende da velocidade de deslizamento.
Leis
Resumindo o material experimental sobre as leis do movimento, estabelecemos as seguintes leis básicas sobre o atrito:
- A resistência ao deslizamento entre dois corpos é proporcional à força normal que atua entre eles.
- Resistência ao movimento entre corpos em atrito não depende da área de contato entre eles.
Para demonstrar a segunda lei, podemos dar o seguinte exemplo: se você pegar um bloco e movê-lo deslizando sobre a superfície, então a força necessária para tal movimentoserá o mesmo quando o bloco estiver na superfície com o lado comprido e quando estiver com a ponta.
As leis relativas a vários tipos de forças de atrito na física foram descobertas no final do século XV por Leonard da Vinci. Depois foram esquecidos por muito tempo, e somente em 1699 foram redescobertos pelo engenheiro francês Amonton. Desde então, as leis do atrito levam seu nome.
Por que a força de atrito é maior que a do deslizamento em repouso?
Ao considerar vários tipos de forças de atrito (repouso e deslizamento), deve-se notar que a força de atrito estático é sempre menor ou igual ao produto do coeficiente de atrito estático e a força de reação do suporte. O coeficiente de atrito é determinado experimentalmente para esses materiais de atrito e inserido nas tabelas apropriadas.
A força dinâmica é calculada da mesma forma que a força estática. Somente neste caso, o coeficiente de atrito é usado especificamente para deslizamento. O coeficiente de atrito é geralmente denotado pela letra grega Μ (mu). Assim, a fórmula geral para ambas as forças de atrito é: Ftr=ΜN, onde N é a força de reação do apoio.
A natureza da diferença entre esses tipos de forças de atrito não foi estabelecida com precisão. No entanto, a maioria dos cientistas acredita que a força de atrito estático é maior do que para o deslizamento, porque quando os corpos estão em repouso um em relação ao outro por algum tempo, ligações iônicas ou microfusões de pontos individuais das superfícies podem se formar entre suas superfícies. Esses fatores causam um aumento da estáticaindicador.
Um exemplo de vários tipos de força de atrito e sua manifestação é o pistão no cilindro de um motor de carro, que é "soldado" ao cilindro se o motor não estiver funcionando por muito tempo.
Corpo deslizante horizontal
Vamos obter a equação de movimento para um corpo que, sob a ação de uma força externa Fin, começa a se mover ao longo da superfície por deslizamento. Neste caso, as seguintes forças atuam sobre o corpo:
- Fv – força externa;
- Ftr – força de atrito que tem direção oposta à força Fv;
- N é a força de reação do suporte, que é igual em valor absoluto ao peso do corpo P e é direcionada para a superfície, ou seja, em ângulo reto com ela.
Tendo em conta as direções de todas as forças, escrevemos a segunda lei de Newton para este caso de movimento: Fv - Ftr=ma, onde m - massa corporal, a - aceleração do movimento. Sabendo que Ftr=ΜN, N=P=mg, onde g é a aceleração de queda livre, temos: Fv – Μ mg=ma. Daí, expressando a aceleração com que o corpo deslizante se move, obtemos: a=F em / m – Μg.
Movimento de um corpo rígido em um líquido
Ao considerar que tipos de forças de atrito existem, deve-se mencionar um fenômeno importante na física, que é a descrição de como um corpo sólido se move em um líquido. Neste caso, estamos falando de atrito aerodinâmico, que é determinado dependendo da velocidade do corpo no fluido. Existem dois tipos de movimento:
- Quandoum corpo rígido se move em baixa velocidade, fala-se de movimento laminar. A força de atrito no movimento laminar é proporcional à velocidade. Um exemplo é a lei de Stokes para corpos esféricos.
- Quando o movimento de um corpo em um fluido ocorre a uma velocidade maior do que um determinado valor limite, então vórtices de fluxos de fluido começam a aparecer ao redor do corpo. Esses vórtices criam uma força adicional que impede o movimento e, como resultado, a força de atrito é proporcional ao quadrado da velocidade.
Natureza da força de atrito de rolamento
Quando se fala sobre os tipos de forças de atrito, costuma-se chamar a força de atrito de rolamento de terceiro tipo. Ela se manifesta quando um corpo rola sobre uma determinada superfície e ocorre a deformação desse corpo e da própria superfície. Ou seja, no caso de um corpo e superfície absolutamente indeformáveis, não adianta falar em força de atrito de rolamento. Vamos dar uma olhada mais de perto.
O conceito de coeficiente de atrito de rolamento é semelhante ao de deslizamento. Como não há deslizamento entre as superfícies dos corpos durante o rolamento, o coeficiente de atrito de rolamento é muito menor do que para o deslizamento.
O principal fator que afeta o coeficiente é a histerese da energia mecânica para o tipo de força de atrito de rolamento. Em particular, a roda, dependendo do material de que é feita, bem como da carga que carrega, é deformada elasticamente durante o movimento. Ciclos repetitivos de deformação elástica levam à transferência de parte da energia mecânica em energia térmica. Além disso, devidodanos, o contato da roda com a superfície já possui uma área de contato finita.
fórmula da força de atrito de rolamento
Se aplicarmos a expressão para o momento de força que gira a roda, podemos obter que a força de atrito de rolamento é Ftr.k.=Μ k N / R, aqui N é a reação do suporte, R é o raio da roda, Μк – coeficiente de atrito de rolamento. Assim, a força de atrito de rolamento é inversamente proporcional ao raio, o que explica a vantagem das rodas grandes sobre as pequenas.
A proporcionalidade inversa desta força com o raio da roda sugere que no caso de duas rodas de raios diferentes que tenham a mesma massa e sejam feitas do mesmo material, a roda de maior raio é mais fácil de mover.
Relação de rolamento
De acordo com a fórmula para este tipo de força de atrito, obtemos que o coeficiente de atrito de rolamento Μk tem a dimensão do comprimento. Depende principalmente da natureza dos corpos de contato. O valor, que é determinado pela razão entre o coeficiente de atrito de rolamento e o raio, é chamado de coeficiente de rolamento, ou seja, Ck=Μk / R é uma quantidade adimensional.
O coeficiente de rolamento Ck é significativamente menor que o coeficiente de atrito de deslizamento Μtr. Portanto, ao responder à pergunta de qual tipo de força de atrito é o menor, podemos chamar com segurança de força de atrito de rolamento. Graças a este fato, a invenção da roda é considerada um passo importante no progresso tecnológico.humanidade.
A relação de rolamento é específica do sistema e depende dos seguintes fatores:
- dureza da roda e da superfície (quanto menor a deformação dos corpos que ocorre durante o movimento, menor o coeficiente de rolamento);
- raio da roda;
- peso que atua na roda;
- área da superfície de contato e sua forma;
- viscosidade na área de contato entre a roda e a superfície;
- temperatura corporal
