Forza di attrito: guida con teoria, formule e calcolo
La superficie di un corpo che viene a contatto con un’altra provoca uno sfregamento che si oppone al movimento e così si crea la forza di attrito. Solitamente si dice solo attrito, ma ne esistono due tipi. Quello statico, quando il corpo è in quiete su una superficie, e uno dinamico quando invece l’oggetto è in movimento.
Esiste anche un’altra forma di attrito che però non riguarda i contatti fra due solidi ma quello fra un corpo e un fluido. Si parla di attrito viscoso dato che dipende dalla viscosità, grandezza direttamente proporzionale alla densità. Più il fluido è viscoso più sarà difficile per il corpo avanzare al suo interno.
Che cos’è la forza di attrito radente
Oltre alla distinzione fra statico e dinamico c’è anche da precisare che esiste anche una distinzione fra attrito radente e volvente. Il primo riguarda i corpi che si muovono su una superficie in piano, senza pendenze o dislivelli. Per esempio si crea quando una macchina avanza su una strada in pianura e i suoi pneumatici scorrono sull’asfalto.
A seconda che l’oggetto sia già in moto o che sia fermo si distingue la forza di attrito radente statico o dinamico come accennato prima. Per calcolare quale sia occorre fare riferimento ai coefficienti di attrito, specifici per i diversi materiali. Per indicarli si usa la lettera greca µ: o meglio µs per lo statico e µd per il dinamico.
Il valore del coefficiente µs è generalmente superiore a quello dell’altro. Entrambi però possono assumere solo una misura compresa fra 0 e 1. Per trovare la forza nel caso dell’attrito radente si utilizza la formula FA = Fꓕ x µs oppure FA = Fꓕ x µd. a seconda che si tratti dello statico o del dinamico.
La forza perpendicolare indicata nella formula in assenza di altre sollecitazioni dirette in verticale non è che il peso dell’oggetto, o meglio la gravità a cui è soggetto. La direzione dell’attrito è uguale a quella del movimento dell’oggetto (quella in cui si muove o quella in cui si vuole spingerlo). Il verso invece è opposto.
L’attrito volvente
Quando anziché su piano orizzontale ci si trova su una superficie inclinata allora si ha la forza di attrito volvente. Quando scende in pendenza un corpo rotola (senza strisciare) e disperde così l’energia cinetica, infatti quella di attrito volvente rientra tra le forza dissipative. L’azione che esercita infatti ha azione frenante, assieme ad altre.
Sull’attrito volvente non agisce solamente l’inclinazione e la componente perpendicolare della forza ma anche l’elasticità del piano di rotolamento e del corpo. Inoltre occorre sapere anche il raggio del corpo che rotola, in quanto per farlo deve avere sezione circolare. La formula da utilizzare è Fv = μv · F⊥ /r.
In questa espressione Fv è la forza di attrito volvente ed μv il coefficiente (molto più basso sia di quello di attrito statico che di quello dinamico). La r naturalmente è il raggio del corpo (cilindro, sbarra, pallone, tronco…). Tuttavia nella realtà non può esistere l’attrito volvente puro ma a dissipare il movimento contribuisce in parte anche il radente.
L’attrito volvente ha direzione uguale a quella del rotolamento del corpo e verso opposto. Poiché risulta inversamente proporzionale al raggio del corpo maggiore questo sarà e minore risulterà la forza che si oppone al suo movimento. Un carro con ruote enormi avanzerà meglio di uno con ruote piccolo.
Esercizio sulla forza di attrito radente statico
Su una superficie di acciaio si trova un blocco dello stesso materiale di massa pari a 50 kg. Il coefficiente di attrito statico è pari a 0,74 e qualcuno sta tirando il blocco con una forza pari a 200 N. Si muove o resta fermo?
Prima di tutto serve capire qual è la forza perpendicolare alla superficie ossia il peso del blocco. Per trovarlo è sufficiente moltiplicare la massa per la costante di gravità e quindi 50 x 9,81 = 490,5 N. A questo punto per calcolare la forza di attrito non serve altro che moltiplicare il peso per il coefficiente di attrito ossia 490,5 x 0,74 = 362,97 N.
Il blocco si muoverà solo se la forza con cui se lo tira riesce a superare la forza di attrito. Dato che questa risulta invece inferiore di ben 162,67 Newton il blocco resterà fermo. Il minimo sforzo per riuscire a spostarlo deve superare i 362,97 N. Una volta messo in moto la forza per mantenerlo in movimento dovrà invece vincere quella di attrito dinamico.
