Attrito

Fonte: Nicholas Timmons, Asantha Cooray, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Scuola di Scienze Fisiche, Università della California, Irvine, CA

L'obiettivo di questo esperimento è quello di esaminare la natura fisica dei due tipi di attrito(cioè statico e cinetico). La procedura includerà la misurazione dei coefficienti di attrito per gli oggetti che scivolano orizzontalmente e verso il basso su un piano inclinato.

L'attrito non è completamente compreso, ma è determinato sperimentalmente per essere proporzionale alla normale forza esercitata su un oggetto. Se un microscopio ingrandisce due superfici che sono in contatto, rivelerebbe che le loro superfici sono molto ruvide su piccola scala. Ciò impedisce alle superfici di scivolare facilmente l'una sull'altra. La combinazione dell'effetto delle superfici ruvide con le forze elettriche tra gli atomi nei materiali può spiegare la forza di attrito.

Esistono due tipi di attrito. L'attrito statico è presente quando un oggetto non si muove e una certa forza è necessaria per mettere in moto quell'oggetto. L'attrito cinetico è presente quando un oggetto è già in movimento ma rallenta a causa dell'attrito tra le superfici di scorrimento.

Figura 1.

La Figura 1 mostra quattro forze che agiscono su un oggetto che si trova su un piano orizzontale. corrisponde a una forza orizzontale applicata. è la forza di gravità sull'oggetto, che è abbinata ugualmente ma nella direzione opposta dalla forza normale, . La forza normale è il risultato di una superficie che agisce su un oggetto in opposizione alla gravità. La forza normale spiega perché un libro non cade semplicemente attraverso il tavolo su cui poggia. Infine, opponendosi alla forza applicata è la forza di attrito, . La forza di attrito è proporzionale alla forza normale:

, (Equazione 1)

dove è il coefficiente di attrito.

Il coefficiente di attrito deve essere misurato sperimentalmente ed è una proprietà che dipende dai due materiali che sono in contatto. Esistono due tipi di coefficienti di attrito: attrito cinetico, , quando gli oggetti sono già in movimento, e attrito statico, , quando gli oggetti sono a riposo e richiedono una certa quantità di forza per muoversi. Per un oggetto che scorre lungo un tracciato, la forza normale è uguale al peso dell'oggetto. Pertanto, la forza di attrito dipende solo dal coefficiente e dalla massa di un oggetto.

Se l'oggetto si trova su un piano inclinato, allora la forza normale è perpendicolare all'inclinazione e non è uguale e opposta al peso come si può vedere nella Figura 2.

Figura 2.

In questo caso, solo un componente di è equivalente alla forza normale, a seconda dell'angolo θ:

. (Equazione 2)

L'angolo di riposo è definito come il punto in cui la forza di gravità su un oggetto supera la forza di attrito statico e l'oggetto inizia a scivolare lungo un piano inclinato. Una buona approssimazione per l'angolo di riposo è:

. (Equazione 3)

In questo laboratorio, due pentole metalliche saranno utilizzate per rappresentare materiali con diversi coefficienti di attrito. Il blocco A avrà un fondo di carta sabbia, che si tradurrà in un coefficiente di attrito più elevato, mentre il blocco B avrà un fondo metallico liscio.

1. Misurare i coefficienti di attrito.

1. Aggiungi un peso di 1.000 g a ciascun blocco e usa una scala per misurare le masse dei blocchi A e B, inclusa la massa aggiunta.
2. Collegare la scala di forza al blocco A. Tirare la scala orizzontalmente e annotare la lettura appena prima che il blocco inizi a scorrere. Poco prima che inizi a scivolare, la quantità massima di attrito statico resiste al movimento. Utilizzare la lettura della forza per calcolare il blocco A. Fallo cinque volte e registra il valore medio.
3. Ripetere il passaggio 1.2 con il blocco B.
4. Tirare il blocco A attraverso il tavolo a velocità costante. Se la velocità è costante, la lettura della forza sulla scala dovrebbe essere uguale alla forza di attrito. Calcola per il blocco A. Fallo cinque volte e registra il valore medio.
5. Ripetere il passaggio 1.4 con il blocco B.

2. Effetto del peso sulla forza di attrito.

1. Posizionare il blocco A sopra il blocco B e ripetere il passaggio 1,4 cinque volte, determinando il valore medio. Calcola il fattore di cui la forza di attrito è aumentata/diminuita.
2. Posizionare il blocco B sopra il blocco A e ripetere il passaggio 1,4 cinque volte, determinando il valore medio. Calcola il fattore di cui la forza di attrito è aumentata/diminuita.

3. Effetto della superficie sulla forza di attrito.

1. Girare il blocco B sul lato che contiene solo il bordo della padella. Il peso dovrà essere posizionato sulla parte superiore del lato a faccia in su. Misurare la forza di attrito e confrontarla con il valore misurato nel punto 1.2. Calcola il fattore di cui la forza di attrito è aumentata/diminuita.

4. Angolo di riposo.

1. Posizionare il blocco A sul piano di inclinazione regolabile, a partire da un angolo di 0°. Aumentare lentamente l'angolo fino a quando il blocco inizia a scorrere. Usando un proniometro, misura l'angolo di riposo e usa l'equazione 3 per calcolare il coefficiente di attrito statico poco prima che il blocco inizi a scivolare. Fallo cinque volte e registra il valore medio.
2. Ripetere il passaggio 4.2 con il blocco B.

 Tabella 1. Coefficienti di attrito.

Blocco
Un	0.68	0.60
B	0.52	0.47

Tabella 2. Effetto del peso e della superficie sulla forza di attrito.

Misurazione	(N)	Fattore per cui è più grande o più piccolo
Blocco B su A	16	Con dal passo 1.4 = 2.3
Blocco A su B	14	Con dal passo 1.5 = 2.5
Piccola superficie	5	Con dal passo 1.4 = 0.9

Tabella 3. Angolo di riposo.

Blocco	Angolo di riposo (°)
Un	30	0.58
B	24	0.45

I risultati ottenuti dall'esperimento corrispondono alle previsioni fatte dalle equazioni 1 e 2. Nel passaggio 1, l'attrito statico era maggiore dell'attrito cinetico. Questo è sempre il caso, poiché è necessaria più forza per superare l'attrito quando un oggetto non è già in movimento. Nella fase 2, è stato confermato che la forza di attrito era proporzionale al peso di entrambi i blocchi e al coefficiente di attrito cinetico del blocco a contatto con la tabella. Il risultato del passaggio 3 conferma che l'area della superficie non influisce sulla forza di attrito. Nel passaggio 4, l'angolo di riposo può essere approssimato dall'equazione 3. L'errore associato al laboratorio deriva dalla difficoltà di leggere la scala di forza mantenendo una velocità costante per il blocco scorrevole. Prendendo diverse misurazioni e calcolando la media, questo effetto può essere ridotto.

L'attrito è ovunque nella nostra vita quotidiana. In effetti, non sarebbe possibile camminare senza di essa. Se qualcuno provasse a camminare su una superficie senza attrito, non andrebbe da nessuna parte. È solo l'attrito tra il fondo dei suoi piedi e il terreno mentre i suoi muscoli spingono contro il terreno che lo spinge in avanti.

In quasi ogni aspetto dell'industria, gli ingegneri stanno cercando di ridurre l'attrito. Quando due superfici sono in contatto, ci sarà sempre attrito. Questo può assumere la forma di calore, come il calore sentito quando qualcuno si strofina rapidamente le mani insieme. Nelle applicazioni industriali, questo calore può danneggiare le macchine. Le forze di attrito si oppongono anche al movimento degli oggetti e possono rallentare le operazioni meccaniche eseguite. Pertanto, sostanze come i lubrificanti vengono utilizzate per ridurre il coefficiente di attrito tra due superfici.

Tabella 4. Esempio di coefficienti di attrito.

Materiali
legno su legno	0.2
ottone su acciaio	0.44
gomma su calcestruzzo	0.8
cuscinetti a sfere lubrificati	< 0,01

In questo esperimento, i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati misurati per due diversi blocchi di scorrimento. È stato esaminato l'effetto della massa sulla forza di attrito, insieme all'effetto della superficie. Infine, è stato misurato l'angolo di riposo per un blocco su un piano inclinato.