Attrito

Gli effetti dell'attrito sono facilmente osservabili nelle attività quotidiane, eppure i meccanismi fisici che governano l'attrito possono essere complessi.

L'attrito è una forza che si oppone al movimento di un oggetto quando è a contatto con una superficie. A livello microscopico, è causato dalla rugosità superficiale dei materiali a contatto e dalle interazioni intermolecolari. Ma si può vincere questa forza applicando una forza esterna che è uguale in grandezza.

L'obiettivo di questo video è dimostrare come misurare l'attrito in un ambiente di laboratorio per oggetti che scivolano orizzontalmente e lungo un piano inclinato.

Prima di addentrarci nel protocollo, rivisitiamo i concetti alla base della forza di attrito. Innanzitutto, devi sapere che esistono due tipi di attriti: attrito cinetico e attrito statico.

Per capire l'attrito cinetico, immaginate di trovarvi in un tubo di gomma che scivola su un infinito campo orizzontale di ghiaccio.

Sebbene il ghiaccio possa essere considerato una superficie liscia, se guardiamo al livello microscopico, ci sono interazioni complesse tra le due superfici che causano attrito. Queste interazioni dipendono dalla rugosità superficiale e dalle forze intermolecolari attrattive.

L'entità di questa forza di attrito cinetico è uguale al prodotto del coefficiente di attrito cinetico, o ? K, che dipende dalla combinazione materiale-superficie, e dalla forza normale, o Fnorm che spinge insieme l'oggetto e la superficie.

Fnorm agisce per sostenere l'oggetto ed è perpendicolare all'interfaccia. In questo caso, poiché il tubo si trova su un terreno piano, il Fnorm è uguale e opposto alla forza di gravità, che è mg. Pertanto, se conosci la massa combinata di u con il tubo e il coefficiente di attrito cinetico per gomma e ghiaccio, possiamo facilmente calcolare la forza di attrito.

L'attrito cinetico può convertire parte dell'energia cinetica del tubo in calore e ridurrà anche lo slancio del tubo, portandolo infine a riposo.

Ora, questo è il momento in cui entra in gioco l'attrito statico, l'altro tipo di attrito. Questa forza di attrito si oppone al movimento di un oggetto statico e potrebbe essere calcolata applicando una forza esterna. La forza applicata che alla fine sposta l'oggetto rivela la forza statica massima.

La formula per la forza statica massima è la stessa di quella per l'attrito cinetico, ma il coefficiente di attrito statico ? S è tipicamente maggiore di ? K per la stessa combinazione materiale-superficie.

Un altro modo per superare la forza statica massima è aumentare la pendenza della superficie. Ad un certo angolo, chiamato angolo di riposo o ? R, la forza che tira verso il basso il pendio sarà uguale alla forza di attrito statico e il tubo inizierà a scivolare. Questa forza di trazione, che è il seno dell'angolo di riposo moltiplicato per la forza di gravità, è uguale alla forza statica massima, che è ? S moltiplicato per il prodotto di m, g e coseno di ?R. Riorganizzando questa equazione, possiamo calcolare il coefficiente di attrito statico.

Ora che abbiamo appreso i principi dell'attrito, vediamo come questi concetti possono essere applicati per calcolare sperimentalmente le forze e i coefficienti di attrito sia cinetico che statico. Questo esperimento consiste in una bilancia di massa, una scala di forza, due pentole metalliche con diversi coefficienti di attrito indicati come blocchi 1 e 2, un piano di inclinazione regolabile, due pesi da 1000 g e un goniometro.

Aggiungi un peso di 1000 g a ciascun blocco e usa la bilancia per misurare le masse dei blocchi caricati.

Dopo aver collegato la scala di forza al blocco 1, tirare la scala orizzontalmente e annotare la lettura della forza appena prima che il blocco inizi a scorrere. Registrare questa forza di attrito statico massima e ripetere questa misurazione cinque volte per ottenere più set di dati. Eseguire la stessa procedura utilizzando il blocco 2 e registrare questi valori.

Quindi, con la scala delle forze collegata al blocco 1, tirare la scala a velocità costante e annotare la forza di attrito cinetico sul calibro. Ripetere questa misurazione cinque volte per ottenere più set di dati. Anche in questo caso, eseguire la stessa procedura utilizzando il blocco 2 e registrare questi valori.

Ora, posiziona il blocco 1 sopra il blocco 2 e tira la bilancia a velocità costante per determinare la forza di attrito cinetico. Ripeti questa misurazione cinque volte e calcola la media. Quindi eseguire la stessa procedura con il blocco 2 sopra il blocco 1.

Per l'esperimento successivo, ruotare il blocco 1 in modo che la superficie più piccola sia rivolta verso il tavolo e fissarlo alla scala delle forze. Ora misura la forza di attrito statico come prima prendendo nota della forza prima che il blocco inizi a scivolare. Ripetere questa misurazione cinque volte per ottenere più set di dati.

Per l'ultimo esperimento, posizionare il blocco 1 sul piano di inclinazione regolabile con il piano inizialmente a un angolo di zero gradi. Aumentare lentamente l'angolo della pialla e utilizzare un goniometro per determinare l'angolo con cui il blocco inizia a scivolare. Anche in questo caso, ripetere questa misurazione cinque volte per ottenere più set di dati ed eseguire la stessa procedura utilizzando il blocco 2.

Per gli esperimenti eseguiti su superficie orizzontale, la forza normale sui blocchi è uguale al peso, cioè massa moltiplicata per g. Poiché la massa dei blocchi 1 e 2 sia per gli esperimenti di attrito statico che cinetico è la stessa, Fnorm è lo stesso in tutti e quattro i casi. Utilizzando la media dei valori di forza misurati per i vari esperimenti e le formule per entrambi gli attriti, è possibile calcolare i coefficienti di attrito.

Come previsto, il coefficiente di attrito statico è maggiore del coefficiente di attrito cinetico. Inoltre, i rispettivi coefficienti per i due blocchi sono diversi poiché ciascuno possiede una rugosità superficiale diversa.

Nell'esperimento dei blocchi impilati, sappiamo che la massa raddoppia in entrambi i casi, quindi possiamo calcolare il nuovo Fnorm. Conosciamo già ?k per il blocco a contatto con la superficie. Usando questo possiamo calcolare la forza di attrito cinetico, che concorda bene con la forza misurata durante l'esperimento.

La forza di attrito misurata a seguito di un cambiamento di orientamento del blocco 1 ha dimostrato che l'area della superficie di contatto non influisce sulla forza di attrito. Le discrepanze tra le forze calcolate e quelle misurate sono coerenti con gli errori stimati associati alla lettura della scala delle forze mantenendo una velocità costante.

Per gli esperimenti sul piano inclinato, è stato misurato l'angolo di riposo. Utilizzando questo angolo, è stato possibile determinare i coefficienti di attrito statico e qui i valori si confrontano favorevolmente con i coefficienti misurati dalle misurazioni di scorrimento orizzontale.

Lo studio dell'attrito è importante in diverse applicazioni, in quanto può essere molto vantaggioso o un fenomeno che deve essere ridotto al minimo.

È estremamente importante per i produttori di pneumatici per automobili studiare l'attrito, in quanto consente ai pneumatici di guadagnare trazione su una strada. Pertanto, quando piove, l'acqua e gli oli residui sulla strada riducono significativamente il coefficiente di attrito, rendendo molto più probabili scivolamenti e incidenti.

Mentre gli ingegneri vogliono aumentare l'attrito per i pneumatici delle auto, per i motori e i macchinari in generale vogliono ridurlo, poiché l'attrito tra i metalli può generare calore e danneggiare le loro strutture. Pertanto, gli ingegneri studiano costantemente lubrificanti che possono aiutare a ridurre il coefficiente di attrito tra due superfici.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE a Friction. A questo punto è necessario comprendere quali fattori contribuiscono all'entità dell'attrito, i diversi tipi di attrito e i meccanismi fisici sottostanti che lo governano. Come sempre, grazie per la visione!