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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

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Figure 1
Figura 1.

A Figura 1 mostra quatro forças agindo em um objeto que se senta em um plano horizontal. Equation 1 corresponde a alguma força horizontal aplicada. Equation 2 é a força da gravidade no objeto, que é combinada igualmente, mas na direção oposta pela força normal, Equation 3 . 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, Equation 4 . A força de atrito é proporcional à força normal:

Equation 5, (Equação 1)

onde Equation 11 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, Equation 11 quando os objetos já estão em movimento, e atrito estático, Equation 10 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 Equation 6 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 Equation 3 é perpendicular à inclinação e não é igual e oposta ao Equation 6 peso, como pode ser visto na Figura 2.

Figure 2
Figura 2.

Neste caso, apenas um componente Equation 6 é equivalente à força normal, dependendo do ângulo φ:

Equation 7. (Equação 2)

O ângulo de repouso Equation 8 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:

Equation 9. (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.

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Procedure

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1. Meça os coeficientes de atrito.

  1. 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.
  2. 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 Equation 10 para o bloco A. Faça isso cinco vezes e regise o valor médio.
  3. Repita o passo 1.2 com o bloco B.
  4. 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 Equation 11 para o bloco A. Faça isso cinco vezes e regise o valor médio.
  5. Repita o passo 1.4 com o bloco B.

2. Efeito do peso sobre a força do atrito.

  1. 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.
  2. 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.

  1. 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.

  1. 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.
  2. 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!

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Results

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 Mesa 1. Coeficientes de atrito.

Bloquear Equation 10 Equation 11
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 Equation 4
(N)
Fator pelo qual é maior ou menor
Bloco B em A 16 Com Equation 4 a partir do passo 1.4 = 2,3
Bloco A em B 14 Com Equation 4 a partir do passo 1.5 = 2,5
Pequena área de superfície 5 Com Equation 4 a partir do passo 1.4 = 0,9

Mesa 3. Ângulo de repouso.

Bloquear Ângulo de repouso Equation 12
(°)
Equation 10
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.

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Applications and Summary

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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 Equation 11
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.

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Transcript

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