Attrito

Gli effetti dell’attrito sono facilmente osservati nelle attività quotidiane e tuttavia 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 in contatto con una superficie. A livello microscopico, è causato dalla rugosità superficiale dei materiali a contatto e dalle interazioni intermolecolari. Ma si può superare 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 immergerci nel protocollo, rivisitiamo i concetti alla base della forza di attrito. Innanzitutto, è necessario sapere che esistono due tipi di attrito: attrito cinetico e attrito statico.

Per comprendere l’attrito cinetico, immagina di essere in un tubo di gomma che scivola attraverso un campo orizzontale infinito di ghiaccio.

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

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

Fnorm agisce per supportare l’oggetto ed è perpendicolare all’interfaccia. In questo caso, poiché il tubo si trova su un terreno pianeggiante, il Fnorm è uguale e opposto alla forza di gravità, che è mg. Pertanto, se conosci la massa combinata di te 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 la quantità di moto del tubo portandolo infine a riposo.

Ora, questo è quando l’attrito statico – l’altro tipo di attrito – entra in gioco. 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 μS è tipicamente maggiore di μK per la stessa combinazione materiale-superficie.

Un altro modo per superare la massima forza statica è aumentare la pendenza della superficie. Ad un certo angolo, chiamato angolo di riposo o θR, la forza che tira giù per la pendenza 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 volte la forza di gravità, è uguale alla forza statica massima, che è μS volte prodotto di m, g e coseno di θR. Riorganizzando questa equazione, possiamo calcolare il coefficiente di attrito statico.

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

Aggiungere un peso di 1000 g a ciascun blocco e utilizzare 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 statica 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.

Successivamente, con la scala di forza collegata al blocco 1, tirare la scala a velocità costante e notare la forza di attrito cinetico sul calibro. Ripetere questa misurazione cinque volte per ottenere più set di dati. Ancora una volta, eseguire la stessa procedura utilizzando il blocco 2 e registrare questi valori.

Ora, posiziona il blocco 1 sopra il blocco 2 e tira la scala 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 collegarla alla scala di forza. Ora misura la forza di attrito statica 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, posiziona il blocco 1 sul piano inclinato regolabile con il piano inizialmente con un angolo di zero gradi. Alza lentamente l’angolo del piano e usa un triometro per determinare l’angolo in cui il blocco inizia a scivolare. Ancora una volta, 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 volte g. Poiché la massa dei blocchi 1 e 2 per gli esperimenti di attrito statico e cinetico sono gli stessi, 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 diversa rugosità superficiale.

Nell’esperimento dei blocchi impilati, sappiamo che la massa raddoppia in entrambi i casi, quindi possiamo calcolare il nuovo Fnorm. Conosciamo già μk 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 misurate sono coerenti con gli errori stimati associati alla lettura della scala di forza mantenendo una velocità costante.

Per gli esperimenti sul piano inclinato, è stato misurato l’angolo di riposo. Usando questo angolo, i coefficienti di attrito statico potrebbero essere determinati, e qui i valori si confrontano favorevolmente con i coefficienti misurati dalle misurazioni di scorrimento orizzontale.

Studiare l’attrito è importante in diverse applicazioni, in quanto può essere altamente vantaggioso o un fenomeno che deve essere ridotto al minimo.

È estremamente importante per i produttori di pneumatici automobilistici studiare l’attrito, in quanto consente ai pneumatici di ottenere 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 lo scivolamento e gli 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 ad Friction. Ora dovresti capire quali fattori contribuiscono all’entità dell’attrito, ai diversi tipi di attrito e ai meccanismi fisici sottostanti che lo governano. Come sempre, grazie per aver guardato!