Atrito

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Physics I

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JoVE Science Education Physics I

Friction

1.2: Force and Acceleration

1.13: Energy and Work

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08:25 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Nicholas Timmons, Asantha Cooray, PhD, Departamento de Física & Astronomia, Escola de Ciências Físicas, Universidade da Califórnia, Irvine, CA

O objetivo deste experimento é examinar a natureza física dos dois tipos de atrito (ou seja, estática e cinética). O procedimento incluirá a medição dos coeficientes de atrito para objetos deslizando horizontalmente, bem como para baixo de um plano inclinado.

O atrito não é completamente compreendido, mas é experimentalmente determinado ser proporcional à força normal exercida sobre um objeto. Se um microscópio se aproximar de duas superfícies que estão em contato, revelaria que suas superfícies são muito ásperas em pequena escala. Isso evita que as superfícies deslizem facilmente umas pelas outras. A combinação do efeito de superfícies ásperas com as forças elétricas entre os átomos nos materiais pode explicar a força de atrito.

Há dois tipos de atrito. O atrito estático está presente quando um objeto não está se movendo e alguma força é necessária para colocar esse objeto em movimento. O atrito cinético está presente quando um objeto já está se movendo, mas diminui a velocidade devido ao atrito entre as superfícies deslizantes.

Principles

Figura 1.

A Figura 1 mostra quatro forças agindo em um objeto que se senta em um plano horizontal. corresponde a alguma força horizontal aplicada. é a força da gravidade no objeto, que é combinada igualmente, mas na direção oposta pela força normal, . A força normal é o resultado de uma superfície agindo sobre um objeto em oposição à gravidade. A força normal explica por que um livro não simplesmente cai na mesa em que está descansando. Finalmente, oposição à força aplicada é a força de atrito, . A força de atrito é proporcional à força normal:

, (Equação 1)

onde está o coeficiente do atrito.

O coeficiente de atrito deve ser medido experimentalmente e é uma propriedade que depende dos dois materiais que estão em contato. Existem dois tipos de coeficientes de atrito: atrito cinético, quando os objetos já estão em movimento, e atrito estático, quando os objetos estão em repouso e requerem uma certa quantidade de força para se mover. Para um objeto deslizando ao longo de um caminho, a força normal é igual ao peso do objeto. Portanto, a força de atrito depende apenas do coeficiente e da massa de um objeto.

Se o objeto estiver em um plano inclinado, então a força normal é perpendicular à inclinação e não é igual e oposta ao peso, como pode ser visto na Figura 2.

Figura 2.

Neste caso, apenas um componente é equivalente à força normal, dependendo do ângulo φ:

. (Equação 2)

O ângulo de repouso é definido como o ponto em que a força da gravidade em um objeto supera a força de atrito estática e o objeto começa a deslizar por um plano inclinado. Uma boa aproximação para o ângulo do repouso é:

. (Equação 3)

Neste laboratório, duas panelas metálicas serão usadas para representar materiais com diferentes coeficientes de atrito. O bloco A terá um fundo de papel de areia, o que resultará em um coeficiente mais alto de atrito, enquanto o bloco B terá um fundo metálico liso.

Procedure

1. Meça os coeficientes de atrito.

Adicione um peso de 1.000 g a cada bloco e use uma medida de escala para as massas dos blocos A e B, incluindo a massa adicionada.
Conecte a escala de força ao bloco A. Puxe a balança horizontalmente e observe a leitura pouco antes do bloco começar a deslizar. Pouco antes de começar a deslizar, a quantidade máxima de atrito estático está resistindo ao movimento. Use a leitura de força para calcular para o bloco A. Faça isso cinco vezes e regise o valor médio.
Repita o passo 1.2 com o bloco B.
Puxe o bloco A através da mesa em uma velocidade constante. Se a velocidade é constante, então a leitura de força na escala deve ser igual à força de atrito. Calcule para o bloco A. Faça isso cinco vezes e regise o valor médio.
Repita o passo 1.4 com o bloco B.

2. Efeito do peso sobre a força do atrito.

Coloque o bloco A na parte superior do bloco B e repita o passo 1,4 cinco vezes, determinando o valor médio. Calcule o fator pelo qual a força de fricção aumentou/diminuiu.
Coloque o bloco B em cima do bloco A e repita o passo 1,4 cinco vezes, determinando o valor médio. Calcule o fator pelo qual a força de fricção aumentou/diminuiu.

3. Efeito da área de superfície sobre a força de atrito.

Gire o bloco B para o lado que contém apenas a borda da panela. O peso precisará ser colocado na parte superior do lado para cima. Meça a força do atrito e compare-a com o valor medido na etapa 1.2. Calcule o fator pelo qual a força de fricção aumentou/diminuiu.

4. Ângulo de repouso.

Coloque o bloco A no plano inclinado ajustável, começando em um ângulo de 0°. Levante lentamente o ângulo até que o bloco comece a deslizar. Usando um prolongador, meça o ângulo de repouso e use a Equação 3 para calcular o coeficiente de atrito estático pouco antes do bloco começar a deslizar. Faça isso cinco vezes e regise o valor médio.
Repita o passo 4.2 com o bloco B.

Os efeitos do atrito são facilmente observados nas atividades cotidianas e, no entanto, os mecanismos físicos que regem 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 causada pela rugosidade superficial dos materiais em contato e interações intermoleculares. Mas pode-se superar essa força por 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, bem como para baixo de 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 atritos – atrito cinético e atrito estático.

Para entender o atrito cinético, imagine que você está em um tubo de borracha deslizando através de 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 superficial e das forças intermoleculares atraentes.

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

Fnorm atua para apoiar o objeto e é perpendicular à interface. Neste caso, uma vez que o tubo está em um solo nivelado, o Fnorm é igual e oposto à força da gravidade, que é mg. Portanto, se você conhece a massa combinada de você com o tubo, e o coeficiente de atrito cinético para borracha e gelo, podemos facilmente calcular a força do atrito.

O atrito cinético pode converter parte da energia cinética do tubo em calor e também reduzirá o impulso do tubo, em última análise, trazendo-o para descansar.

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

A fórmula para força estática máxima é a mesma para atrito cinético, mas o coeficiente de atrito estático μS é tipicamente maior que μK 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 φR, a força puxando para baixo da inclinação será igual à força de atrito estática e o tubo começará a deslizar. Esta força de puxar, que é o seno do ângulo de repouso vezes a força da gravidade, é igual à força estática máxima, que é μS vezes produto de m, g, e cosseno de φR. Reorganizando esta 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 coeficientes de atrito cinético e estático. Este experimento consiste em uma escala de massa, uma escala de força, duas panelas metálicas com diferentes coeficientes de atrito denotados como bloco 1 e 2, um plano inclinado ajustável, dois pesos de 1000 g e um prolongador.

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 balança horizontalmente e observe a leitura de força pouco antes do bloco começar a deslizar. Registo esta força de atrito estático máximo e repita esta medição cinco vezes para obter vários conjuntos de dados. Realize o mesmo procedimento usando o bloco 2 e regise esses valores.

Em seguida, com a escala de força conectada ao bloco 1, puxe a balança em velocidade constante e observe a força de atrito cinética no medidor. Repita esta medição cinco vezes para obter vários conjuntos de dados. Novamente, realize o mesmo procedimento usando o bloco 2 e regise esses valores.

Agora, coloque o bloco 1 no topo do bloco 2 e puxe a balança em uma velocidade constante para determinar a força de atrito cinético. Repita esta medição cinco vezes e calcule a média. Em seguida, realize o mesmo procedimento com o bloco 2 em cima do bloco 1.

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

Para o último experimento, coloque o bloco 1 no plano inclinado ajustável com o plano inicialmente em um ângulo de zero graus. Levante lentamente o ângulo do plano e use um prolongador para determinar o ângulo em que o bloco começa a deslizar. Novamente, repita esta medição cinco vezes para obter vários conjuntos de dados e realize 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 dos blocos 1 e 2 para experimentos de atrito estático e cinético são as mesmas, fnorm é o mesmo em todos os quatro casos. Utilizando a média dos valores de força medidos para os vários experimentos, e a fórmula para ambos os atritos, os coeficientes de atrito podem ser calculados.

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

No experimento de blocos empilhados, sabemos que a massa dobra em ambos os casos, para que possamos calcular o novo Fnorm. Já sabemos μk para o bloco em contato com a superfície. Usando isso podemos calcular a força de atrito cinética, 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 força, mantendo uma velocidade constante.

Para os experimentos de avião inclinados, o ângulo de repouso foi medido. Utilizando este ângulo, os coeficientes de atrito estático poderiam ser determinados, e aqui os valores se comparam favoravelmente com os coeficientes medidos a partir das medidas horizontais deslizantes.

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 os pneus do carro, para motores e máquinas em geral eles querem reduzi-lo, pois o atrito entre os 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 a 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!

Results

Mesa 1. Coeficientes de atrito.

Bloquear
Um	0.68	0.60
B	0.52	0.47

Mesa 2. Efeito do peso e da área da superfície na força do atrito.

Medição	(N)	Fator pelo qual é maior ou menor
Bloco B em A	16	Com a partir do passo 1.4 = 2,3
Bloco A em B	14	Com a partir do passo 1.5 = 2,5
Pequena área de superfície	5	Com a partir do passo 1.4 = 0,9

Mesa 3. Ângulo de repouso.

Bloquear	Ângulo de repouso (°)
Um	30	0.58
B	24	0.45

Os resultados obtidos a partir do experimento correspondem às previsões feitas pelas Equações 1 e 2. Na etapa 1, o atrito estático foi maior do que o atrito cinético. Este é sempre o caso, pois mais força é necessária para superar o atrito quando um objeto ainda não está em movimento. Na etapa 2, foi confirmado que a força de atrito era proporcional ao peso de ambos os blocos e ao coeficiente de atrito cinético do bloco em contato com a tabela. O resultado da etapa 3 confirma que a área da superfície não afeta a força de atrito. Na etapa 4, o ângulo do repouso pode ser aproximado pela Equação 3. O erro associado ao laboratório vem da dificuldade de leitura da escala de força, mantendo uma velocidade constante para o bloco deslizante. Ao tomar várias medidas e calcular a média, esse efeito pode ser reduzido.

Applications and Summary

O atrito está em toda parte em nossas vidas diárias. Na verdade, não seria possível andar sem ele. Se alguém tentasse andar em uma superfície sem atrito, ele não iria a lugar nenhum. É apenas o atrito entre a parte inferior de seus pés e o chão como seus músculos empurram contra o chão que o impulsiona para a frente.

Em quase todos os aspectos da indústria, os engenheiros estão tentando reduzir o atrito. Quando duas superfícies estiverem em contato, sempre haverá atrito. Isso pode tomar a forma de calor, como o calor sentido quando alguém rapidamente esfrega as mãos juntas. Em aplicações industriais, esse calor pode danificar as máquinas. As forças de atrito também se opõem ao movimento dos objetos e podem retardar as operações mecânicas feitas. Portanto, substâncias como lubrificantes são utilizadas para diminuir o coeficiente de atrito entre duas superfícies.

Mesa 4. Exemplos de atrito.

Materiais
madeira na madeira	0.2
latão em aço	0.44
borracha no concreto	0.8
rolamentos de esferas lubrificados	< 0,01

Neste experimento, os coeficientes de atrito estático e cinético foram medidos para dois blocos deslizantes diferentes. O efeito da massa sobre a força do atrito foi examinado, juntamente com o efeito da área de superfície. Por último, o ângulo de repouso de um bloco em um plano inclinado foi medido.

Transcript

The effects of friction are easily observed in everyday activities and yet the physical mechanisms that govern friction can be complex.

Friction is a force that opposes the motion of an object when it is in contact with a surface. At the microscopic level, it is caused by surface roughness of the materials in contact and intermolecular interactions. But one can overcome this force by application of an external force that is equal in magnitude.

The goal of this video is to demonstrate how to measure friction in a lab setting for objects sliding horizontally as well as down an inclined plane.

Before diving into the protocol, let’s revisit the concepts behind the frictional force. First, you need to know that there are two types of frictions – kinetic friction and static friction.

To understand kinetic friction, imagine you are in a rubber tube sliding across an infinite horizontal field of ice.

Although ice may be considered a smooth surface, if we look at the microscopic level, there are complex interactions between the two surfaces that cause friction. These interactions depend on surface roughness and attractive intermolecular forces.

The magnitude of this kinetic friction force is equal to the product of the coefficient of kinetic friction, or μK, which depends on the material-surface combination, and the normal force, or Fnorm that pushes the object and surface together.

Fnorm acts to support the object and is perpendicular to the interface. In this case, since the tube is on a level ground, the Fnorm is equal to and opposite the force of gravity, which is mg. Therefore, if you know the combined mass of you with the tube, and the coefficient of kinetic friction for rubber and ice, we can easily calculate the force of friction.

Kinetic friction can convert some of the tube’s kinetic energy into heat and will also reduce the momentum of the tube ultimately bringing it to rest.

Now, this is when static friction – the other type of friction – comes into play. This frictional force opposes movement of a static object and could be calculated by applying an external force. The applied force that eventually moves the object reveals the maximum static force.

The formula for maximum static force is the same as the one for kinetic friction, but the coefficient of static friction μS is typically greater than μK for the same material-surface combination.

Another way to overcome the maximum static force is by increasing the slope of the surface. At some angle, called the angle of repose or θR, the force pulling down the slope will equal the static friction force and the tube will begin to slide. This pulling force, which is the sine of the angle of repose times the force of gravity, equals the maximum static force, which is μS times product of m, g, and cosine of θR. By rearranging this equation, we can calculate the coefficient of static friction.

Now that we’ve learned the principles of friction, let’s see how these concepts can be applied to experimentally calculate the forces and coefficients of both kinetic and static friction. This experiment consists of a mass scale, a force scale, two metal pans with different coefficients of friction denoted as block 1 and 2, an adjustable incline plane, two 1000 g weights, and a protractor.

Add a 1000 g weight to each block and use the scale to measure the masses of the loaded blocks.

After connecting the force scale to block 1, pull the scale horizontally and note the force reading just before the block begins to slide. Record this maximal static friction force and repeat this measurement five times to obtain multiple data sets. Perform the same procedure using block 2 and record these values.

Next, with the force scale connected to block 1, pull the scale at a constant speed and note the kinetic friction force on the gauge. Repeat this measurement five times to obtain multiple data sets. Again, perform the same procedure using block 2 and record these values.

Now, place block 1 on top of block 2 and pull the scale at a constant speed to determine the kinetic friction force. Repeat this measurement five times and calculate the average. Then perform the same procedure with block 2 on top of block 1.

For the next experiment, turn block 1 such that the smaller surface area faces the table and attach it to the force scale. Now measure the static friction force as before by making note of the force before the block begins to slide. Repeat this measurement five times to obtain multiple data sets.

For the last experiment, place block 1 on the adjustable incline plane with the plane initially at an angle of zero degrees. Slowly raise the angle of the plane and use a protractor to determine the angle at which the block begins to slide. Again, repeat this measurement five times to obtain multiple data sets and perform the same procedure using block 2.

For the experiments performed on horizontal surface, the normal force on the blocks is equal to the weight, that is mass times g. Since the mass of block 1 and 2 for both static and kinetic friction experiments are the same, Fnorm is the same in all four cases. Using the average of the measured force values for the various experiments, and the formulae for both frictions, the coefficients of friction can be calculated.

As expected, the coefficient of static friction is greater than the coefficient of kinetic friction. Furthermore, the respective coefficients for the two blocks are different since they each possess a different surface roughness.

In the stacked blocks experiment, we know that the mass doubles in both cases, so we can calculate the new Fnorm. We already know μk for the block in contact with the surface. Using this we can calculate the kinetic friction force, which agrees well with the measured force during the experiment.

The friction force measured following a change in orientation of block 1 demonstrated that the contact surface area does not affect the force of friction. The discrepancies between the calculated and measured forces are consistent with the estimated errors associated with reading the force scale while maintaining a constant speed.

For the inclined plane experiments, the angle of repose was measured. Using this angle, the coefficients of static friction could be determined, and here the values compare favorably with the coefficients measured from the horizontal sliding measurements.

Studying friction is important in several applications, as it can either be highly beneficial or a phenomenon that must be minimized.

It is extremely important for automobile tire manufactures to study friction, as it allows tires to gain traction on a road. Therefore, when it rains, the water and residual oils on the road significantly reduce the coefficient of friction, making sliding and accidents much more likely.

While engineers want to increase friction for car tires, for engines and machinery in general they want to reduce it, as friction between metals can generate heat and damage their structures. Therefore, engineers constantly study lubricants that may help in decreasing the coefficient of friction between two surfaces.

You’ve just watched JoVE’s introduction to Friction. You should now understand what factors contribute to the magnitude of friction, the different types of friction, and the underlying physical mechanisms that govern it. As always, thanks for watching!