Atrito

Os efeitos do atrito são facilmente observados nas atividades cotidianas e, no entanto, os mecanismos físicos que governam o atrito podem ser complexos.

O atrito é uma força que se opõe ao movimento de um objeto quando ele está em contato com uma superfície. No nível microscópico, é causado pela rugosidade da superfície dos materiais em contato e interações intermoleculares. Mas pode-se superar essa força pela aplicação de uma força externa que é igual em magnitude.

O objetivo deste vídeo é demonstrar como medir o atrito em um ambiente de laboratório para objetos deslizando horizontalmente e em um plano inclinado.

Antes de mergulhar no protocolo, vamos revisitar os conceitos por trás da força de atrito. Primeiro, você precisa saber que existem dois tipos de atrito - atrito cinético e atrito estático.

Para entender o atrito cinético, imagine que você está em um tubo de borracha deslizando por um campo horizontal infinito de gelo.

Embora o gelo possa ser considerado uma superfície lisa, se olharmos para o nível microscópico, existem interações complexas entre as duas superfícies que causam atrito. Essas interações dependem da rugosidade da superfície e das forças intermoleculares atrativas.

A magnitude dessa força de atrito cinético é igual ao produto do coeficiente de atrito cinético, ou ? K, que depende da combinação material-superfície, e da força normal, ou Fnorm que empurra o objeto e a superfície juntos.

Fnorm atua para suportar o objeto e é perpendicular à interface. Nesse caso, como o tubo está em um terreno plano, o Fnorm é igual e oposto à força da gravidade, que é mg. Portanto, se você souber a massa combinada de você com o tubo e o coeficiente de atrito cinético para borracha e gelo, podemos calcular facilmente a força de atrito.

O atrito cinético pode converter parte da energia cinética do tubo em calor e também reduzirá o momento do tubo, levando-o ao repouso.

Agora, é quando o atrito estático - o outro tipo de atrito - entra em jogo. Essa força de atrito se opõe ao movimento de um objeto estático e pode ser calculada aplicando uma força externa. A força aplicada que eventualmente move o objeto revela a força estática máxima.

A fórmula para a força estática máxima é a mesma que a do atrito cinético, mas o coeficiente de atrito estático ? S é normalmente maior que ? K para a mesma combinação material-superfície.

Outra maneira de superar a força estática máxima é aumentando a inclinação da superfície. Em algum ângulo, chamado de ângulo de repouso ou? R, a força que puxa para baixo a inclinação será igual à força de atrito estático e o tubo começará a deslizar. Essa força de tração, que é o seno do ângulo de repouso vezes a força da gravidade, é igual à força estática máxima, que é ? S vezes o produto de m, g e cosseno de ?R. Ao reorganizar essa equação, podemos calcular o coeficiente de atrito estático.

Agora que aprendemos os princípios do atrito, vamos ver como esses conceitos podem ser aplicados para calcular experimentalmente as forças e os coeficientes de atrito cinético e estático. Este experimento consiste em uma balança de massa, uma escala de força, duas panelas de metal com diferentes coeficientes de atrito denotados como bloco 1 e 2, um plano de inclinação ajustável, dois pesos de 1000 g e um transferidor.

Adicione um peso de 1000 g a cada bloco e use a balança para medir as massas dos blocos carregados.

Depois de conectar a escala de força ao bloco 1, puxe a escala horizontalmente e observe a leitura da força pouco antes de o bloco começar a deslizar. Registre essa força máxima de atrito estático e repita essa medição cinco vezes para obter vários conjuntos de dados. Execute o mesmo procedimento usando o bloco 2 e registre esses valores.

Em seguida, com a escala de força conectada ao bloco 1, puxe a escala a uma velocidade constante e observe a força de atrito cinético no medidor. Repita essa medição cinco vezes para obter vários conjuntos de dados. Novamente, execute o mesmo procedimento usando o bloco 2 e registre esses valores.

Agora, coloque o bloco 1 em cima do bloco 2 e puxe a escala a uma velocidade constante para determinar a força de atrito cinético. Repita essa medição cinco vezes e calcule a média. Em seguida, execute o mesmo procedimento com o bloco 2 em cima do bloco 1.

Para o próximo experimento, gire o bloco 1 de forma que a área de superfície menor fique voltada para a mesa e prenda-o à escala de força. Agora meça a força de atrito estático como antes, anotando a força antes que o bloco comece a deslizar. Repita essa medição cinco vezes para obter vários conjuntos de dados.

Para o último experimento, coloque o bloco 1 no plano de inclinação ajustável com o plano inicialmente em um ângulo de zero grau. Aumente lentamente o ângulo do plano e use um transferidor para determinar o ângulo em que o bloco começa a deslizar. Novamente, repita essa medição cinco vezes para obter vários conjuntos de dados e execute o mesmo procedimento usando o bloco 2.

Para os experimentos realizados na superfície horizontal, a força normal nos blocos é igual ao peso, ou seja, massa vezes g. Como a massa do bloco 1 e 2 para experimentos de atrito estático e cinético é a mesma, Fnorm é a mesma em todos os quatro casos. Usando a média dos valores de força medidos para os vários experimentos e as fórmulas para ambos os atritos, os coeficientes de atrito podem ser calculados.

Como esperado, o coeficiente de atrito estático é maior que o coeficiente de atrito cinético. Além disso, os respectivos coeficientes para os dois blocos são diferentes, pois cada um possui uma rugosidade superficial diferente.

No experimento de blocos empilhados, sabemos que a massa dobra em ambos os casos, então podemos calcular o novo Fnorm. Já sabemos ?k para o bloco em contato com a superfície. Usando isso, podemos calcular a força de atrito cinético, que concorda bem com a força medida durante o experimento.

A força de atrito medida após uma mudança na orientação do bloco 1 demonstrou que a área da superfície de contato não afeta a força de atrito. As discrepâncias entre as forças calculadas e medidas são consistentes com os erros estimados associados à leitura da escala de forças, mantendo uma velocidade constante.

Para os experimentos de plano inclinado, o ângulo de repouso foi medido. Usando esse ângulo, os coeficientes de atrito estático podem ser determinados, e aqui os valores se comparam favoravelmente com os coeficientes medidos a partir das medições de deslizamento horizontal.

Estudar o atrito é importante em várias aplicações, pois pode ser altamente benéfico ou um fenômeno que deve ser minimizado.

É extremamente importante que os fabricantes de pneus de automóveis estudem o atrito, pois permite que os pneus ganhem tração em uma estrada. Portanto, quando chove, a água e os óleos residuais na estrada reduzem significativamente o coeficiente de atrito, tornando o deslizamento e os acidentes muito mais prováveis.

Enquanto os engenheiros querem aumentar o atrito para pneus de automóveis, para motores e máquinas em geral eles querem reduzi-lo, pois o atrito entre metais pode gerar calor e danificar suas estruturas. Portanto, os engenheiros estudam constantemente lubrificantes que podem ajudar a diminuir o coeficiente de atrito entre duas superfícies.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE ao Friction. Agora você deve entender quais fatores contribuem para a magnitude do atrito, os diferentes tipos de atrito e os mecanismos físicos subjacentes que o governam. Como sempre, obrigado por assistir!