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Overview

Fonte: Nicholas Timmons, Asantha Cooray, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Scuola di Scienze Fisiche, Università della California, Irvine, CA

L'obiettivo di questo esperimento è quello di esaminare la natura fisica dei due tipi di attrito(cioè statico e cinetico). La procedura includerà la misurazione dei coefficienti di attrito per gli oggetti che scivolano orizzontalmente e verso il basso su un piano inclinato.

L'attrito non è completamente compreso, ma è determinato sperimentalmente per essere proporzionale alla normale forza esercitata su un oggetto. Se un microscopio ingrandisce due superfici che sono in contatto, rivelerebbe che le loro superfici sono molto ruvide su piccola scala. Ciò impedisce alle superfici di scivolare facilmente l'una sull'altra. La combinazione dell'effetto delle superfici ruvide con le forze elettriche tra gli atomi nei materiali può spiegare la forza di attrito.

Esistono due tipi di attrito. L'attrito statico è presente quando un oggetto non si muove e una certa forza è necessaria per mettere in moto quell'oggetto. L'attrito cinetico è presente quando un oggetto è già in movimento ma rallenta a causa dell'attrito tra le superfici di scorrimento.

Principles

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Figure 1
Figura 1.

La Figura 1 mostra quattro forze che agiscono su un oggetto che si trova su un piano orizzontale. Equation 1 corrisponde a una forza orizzontale applicata. Equation 2 è la forza di gravità sull'oggetto, che è abbinata ugualmente ma nella direzione opposta dalla forza normale, Equation 3 . La forza normale è il risultato di una superficie che agisce su un oggetto in opposizione alla gravità. La forza normale spiega perché un libro non cade semplicemente attraverso il tavolo su cui poggia. Infine, opponendosi alla forza applicata è la forza di attrito, Equation 4 . La forza di attrito è proporzionale alla forza normale:

Equation 5, (Equazione 1)

dove Equation 11 è il coefficiente di attrito.

Il coefficiente di attrito deve essere misurato sperimentalmente ed è una proprietà che dipende dai due materiali che sono in contatto. Esistono due tipi di coefficienti di attrito: attrito cinetico, Equation 11 , quando gli oggetti sono già in movimento, e attrito statico, , quando gli oggetti sono a Equation 10 riposo e richiedono una certa quantità di forza per muoversi. Per un oggetto che scorre lungo un tracciato, la forza normale è uguale al peso Equation 6 dell'oggetto. Pertanto, la forza di attrito dipende solo dal coefficiente e dalla massa di un oggetto.

Se l'oggetto si trova su un piano inclinato, allora la forza normale Equation 3 è perpendicolare all'inclinazione e non è uguale e opposta al peso Equation 6 come si può vedere nella Figura 2.

Figure 2
Figura 2.

In questo caso, solo un componente di Equation 6 è equivalente alla forza normale, a seconda dell'angolo θ:

Equation 7. (Equazione 2)

L'angolo di riposo Equation 8 è definito come il punto in cui la forza di gravità su un oggetto supera la forza di attrito statico e l'oggetto inizia a scivolare lungo un piano inclinato. Una buona approssimazione per l'angolo di riposo è:

Equation 9. (Equazione 3)

In questo laboratorio, due pentole metalliche saranno utilizzate per rappresentare materiali con diversi coefficienti di attrito. Il blocco A avrà un fondo di carta sabbia, che si tradurrà in un coefficiente di attrito più elevato, mentre il blocco B avrà un fondo metallico liscio.

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Procedure

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1. Misurare i coefficienti di attrito.

  1. Aggiungi un peso di 1.000 g a ciascun blocco e usa una scala per misurare le masse dei blocchi A e B, inclusa la massa aggiunta.
  2. Collegare la scala di forza al blocco A. Tirare la scala orizzontalmente e annotare la lettura appena prima che il blocco inizi a scorrere. Poco prima che inizi a scivolare, la quantità massima di attrito statico resiste al movimento. Utilizzare la lettura della forza per calcolare Equation 10 il blocco A. Fallo cinque volte e registra il valore medio.
  3. Ripetere il passaggio 1.2 con il blocco B.
  4. Tirare il blocco A attraverso il tavolo a velocità costante. Se la velocità è costante, la lettura della forza sulla scala dovrebbe essere uguale alla forza di attrito. Calcola Equation 11 per il blocco A. Fallo cinque volte e registra il valore medio.
  5. Ripetere il passaggio 1.4 con il blocco B.

2. Effetto del peso sulla forza di attrito.

  1. Posizionare il blocco A sopra il blocco B e ripetere il passaggio 1,4 cinque volte, determinando il valore medio. Calcola il fattore di cui la forza di attrito è aumentata/diminuita.
  2. Posizionare il blocco B sopra il blocco A e ripetere il passaggio 1,4 cinque volte, determinando il valore medio. Calcola il fattore di cui la forza di attrito è aumentata/diminuita.

3. Effetto della superficie sulla forza di attrito.

  1. Girare il blocco B sul lato che contiene solo il bordo della padella. Il peso dovrà essere posizionato sulla parte superiore del lato a faccia in su. Misurare la forza di attrito e confrontarla con il valore misurato nel punto 1.2. Calcola il fattore di cui la forza di attrito è aumentata/diminuita.

4. Angolo di riposo.

  1. Posizionare il blocco A sul piano di inclinazione regolabile, a partire da un angolo di 0°. Aumentare lentamente l'angolo fino a quando il blocco inizia a scorrere. Usando un proniometro, misura l'angolo di riposo e usa l'equazione 3 per calcolare il coefficiente di attrito statico poco prima che il blocco inizi a scivolare. Fallo cinque volte e registra il valore medio.
  2. Ripetere il passaggio 4.2 con il blocco B.

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!

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Results

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 Tabella 1. Coefficienti di attrito.

Blocco Equation 10 Equation 11
Un 0.68 0.60
B 0.52 0.47

Tabella 2. Effetto del peso e della superficie sulla forza di attrito.

Misurazione Equation 4
(N)
Fattore per cui è più grande o più piccolo
Blocco B su A 16 Con Equation 4 dal passo 1.4 = 2.3
Blocco A su B 14 Con Equation 4 dal passo 1.5 = 2.5
Piccola superficie 5 Con Equation 4 dal passo 1.4 = 0.9

Tabella 3. Angolo di riposo.

Blocco Angolo di riposo Equation 12
(°)
Equation 10
Un 30 0.58
B 24 0.45

I risultati ottenuti dall'esperimento corrispondono alle previsioni fatte dalle equazioni 1 e 2. Nel passaggio 1, l'attrito statico era maggiore dell'attrito cinetico. Questo è sempre il caso, poiché è necessaria più forza per superare l'attrito quando un oggetto non è già in movimento. Nella fase 2, è stato confermato che la forza di attrito era proporzionale al peso di entrambi i blocchi e al coefficiente di attrito cinetico del blocco a contatto con la tabella. Il risultato del passaggio 3 conferma che l'area della superficie non influisce sulla forza di attrito. Nel passaggio 4, l'angolo di riposo può essere approssimato dall'equazione 3. L'errore associato al laboratorio deriva dalla difficoltà di leggere la scala di forza mantenendo una velocità costante per il blocco scorrevole. Prendendo diverse misurazioni e calcolando la media, questo effetto può essere ridotto.

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Applications and Summary

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L'attrito è ovunque nella nostra vita quotidiana. In effetti, non sarebbe possibile camminare senza di essa. Se qualcuno provasse a camminare su una superficie senza attrito, non andrebbe da nessuna parte. È solo l'attrito tra il fondo dei suoi piedi e il terreno mentre i suoi muscoli spingono contro il terreno che lo spinge in avanti.

In quasi ogni aspetto dell'industria, gli ingegneri stanno cercando di ridurre l'attrito. Quando due superfici sono in contatto, ci sarà sempre attrito. Questo può assumere la forma di calore, come il calore sentito quando qualcuno si strofina rapidamente le mani insieme. Nelle applicazioni industriali, questo calore può danneggiare le macchine. Le forze di attrito si oppongono anche al movimento degli oggetti e possono rallentare le operazioni meccaniche eseguite. Pertanto, sostanze come i lubrificanti vengono utilizzate per ridurre il coefficiente di attrito tra due superfici.

Tabella 4. Esempio di coefficienti di attrito.

Materiali Equation 11
legno su legno 0.2
ottone su acciaio 0.44
gomma su calcestruzzo 0.8
cuscinetti a sfere lubrificati < 0,01

In questo esperimento, i coefficienti di attrito statico e cinetico sono stati misurati per due diversi blocchi di scorrimento. È stato esaminato l'effetto della massa sulla forza di attrito, insieme all'effetto della superficie. Infine, è stato misurato l'angolo di riposo per un blocco su un piano inclinato.

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