Fisico

Tipi di attrito, coefficiente, calcolo, esercizi

Tipi di attrito, coefficiente, calcolo, esercizi

IL attrito È la resistenza allo spostamento di una superficie mentre è in contatto con un'altra. È un fenomeno superficiale che si verifica tra materiali solidi, liquidi e gassosi. La forza di resistenza tangenziale a due superfici a contatto, che si oppone alla direzione dello spostamento relativo tra queste superfici, è anche chiamata forza di attrito o forza di attrito FR.

Per spostare un corpo solido su una superficie, è necessario applicare una forza esterna che può superare l'attrito. Quando il corpo si muove, la forza di attrito agisce sul corpo diminuendo la sua velocità e può persino fermarlo.

Attrito [di Keta, Pietter Kuiper (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: attrito.Svg)]

La forza di attrito può essere rappresentata graficamente per mezzo del diagramma delle forze di un corpo a contatto con una superficie. In questo diagramma la forza di attrito FR È disegnato dal componente della forza applicata al corpo tangenziale alla superficie.

La superficie di contatto esercita una forza di reazione sul corpo chiamato forza normale N. In alcuni casi, la forza normale è dovuta solo al peso P del corpo che poggia sulla superficie e, in altri casi, è dovuto alle forze applicate diverse dalla forza di gravità.

L'attrito ha origine perché ci sono rugos microscopici tra le superfici in contatto. Quando provi a spostare una superficie sull'altra. A sua volta, le perdite di energia vengono prodotte sotto forma di calore che non viene utilizzata per spostare il corpo.

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Tipi di attrito

Esistono due tipi principali di attrito: l'attrito di Coulomb o attrito secco e attrito fluido.

-Attrito di Coulomb

L'attrito di Coulomb Si oppone sempre al movimento dei corpi ed è suddiviso in due tipi di attrito: attrito statico e attrito cinetico (o dinamico).

In attrito statico non c'è movimento del corpo in superficie. La forza applicata è molto bassa e non è sufficiente per superare la forza di attrito. L'attrito ha un valore massimo proporzionale alla forza normale ed è chiamato forza di attrito statico FRif.

La forza di attrito statico è definita come la forza massima che resiste all'inizio del movimento del corpo. Quando la forza applicata supera la forza di attrito statico, rimane al suo valore massimo.

L'attrito cinetico agisce quando il corpo è in movimento. La forza necessaria per mantenere il corpo con attrito è chiamata forza di attrito cinetico FRc.

La forza di attrito cinetico è inferiore o uguale alla forza di attrito statico perché una volta che il corpo inizia a muoversi è più facile continuare a spostarlo che provare a farlo mentre a riposo.

Leggi di attrito di Coulomb

  1. La forza di attrito è direttamente proporzionale alla forza normale alla superficie di contatto. La costante di proporzionalità è il coefficiente di attrito μ che esiste tra le superfici in contatto.
  2. La forza di attrito è indipendente dalle dimensioni dell'area di contatto apparente tra le superfici.
  3. La forza di attrito cinetico è indipendente dalla velocità di scorrimento del corpo.

-Attrito fluido

L'attrito si verifica anche quando i corpi si muovono a contatto con materiali liquidi o gassosi. Questo tipo di attrito è chiamato attrito fluido ed è definito come la resistenza al movimento dei corpi a contatto con un fluido.

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L'attrito del fluido si riferisce anche alla resistenza di un fluido per fluire a contatto con strati di fluido dello stesso materiale o uno diverso e dipende dalla velocità e dalla viscosità del fluido. La viscosità è la misura della resistenza al movimento di un fluido.

-Attrito di Stokes

L'attrito di Stokes è un tipo di attrito fluido in cui le particelle sferiche immerse in un fluido viscoso, nel flusso laminare, sperimentano una forza di attrito che rallenta il suo movimento a causa delle fluttuazioni delle molecole del fluido.

Attrito di Stokes [di Kraienennest (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: stokes_sphere.Svg)]

Il flusso è laminare quando le forze viscose, che si oppongono al movimento del fluido, sono maggiori delle forze inerziali e il fluido si muove con una velocità sufficientemente ridotta e nella traiettoria rettilinea.

Coefficienti di attrito

Secondo la prima legge di attrito di Coulomb Il coefficiente di attrito μ Si ottiene dalla relazione tra forza di attrito e forza normale alla superficie di contatto.

μ = fR/N

Il coefficiente μ È una quantità senza dimensioni, perché è una relazione tra due forze, che dipende dalla natura e dal trattamento dei materiali a contatto. Generalmente il valore del coefficiente di attrito è compreso tra 0 e 1.

Coefficiente di attrito statico

Il coefficiente di attrito statico è la costante di proporzionalità che esiste tra la forza che impedisce il movimento di un corpo in uno stato di contatto su una superficie di contatto e la forza normale sulla superficie.

μE= FRif/N

Coefficiente di attrito cinetico

Il coefficiente di attrito cinetico è la costante di proporzionalità che esiste tra la forza che limita il movimento di un corpo che si muove su una superficie e la forza normale alla superficie.

μC= FRc/N

Il coefficiente di attrito statico è maggiore del coefficiente di attrito cinetico.

μs> μC

Coefficiente di attrito elastico

Il coefficiente di attrito elastico deriva dall'attrito tra le superfici di contatto di materiali elastici, morbidi o ruvidi che sono deformati dalle forze applicate. L'attrito si oppone al movimento relativo tra due superfici elastiche e lo spostamento è accompagnato da una deformazione elastica degli strati superficiali del materiale.

Il coefficiente di attrito ottenuto in queste condizioni dipende dal grado di rugosità superficiale, dalle proprietà fisiche dei materiali di contatto e dalla grandezza della componente tangenziale della forza di ascolto nell'interfaccia del materiale.

Coefficiente di attrito molecolare

Il coefficiente di attrito molecolare è ottenuto dalla forza che limita il movimento di una particella che scivola su una superficie morbida o attraverso un fluido.

Come viene calcolato l'attrito?

La forza di attrito nelle interfacce solide viene calcolata usando l'equazione FR = μn

N È la forza normale e μ È il coefficiente di attrito.

In alcuni casi la forza normale è uguale al peso del corpo P. Il peso si ottiene moltiplicando la massa M del corpo a causa dell'accelerazione della gravità G.

P= mg

Sostituendo l'equazione di peso nell'equazione della forza di attrito, si ottiene:

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FR = μmg

Caratteristiche normali

Quando un oggetto è a riposo su una superficie piana, la forza normale è quella che esercita la superficie sul corpo e si oppone alla forza a causa della gravità, secondo la legge dell'azione e della reazione di Newton.

La forza normale agisce sempre perpendicolare alla superficie. Su una superficie inclinata, il normale diminuisce all'aumentare dell'angolo di inclinazione e punti in direzione perpendicolare lontano dalla superficie, mentre il peso punta verticalmente verso il basso. L'equazione di forza normale su una superficie inclinata è:

N = mgcosθ

θ = angolo di inclinazione della superficie di contatto.

Attrito sul piano inclinato [di METS501 (https: // Commons.Wikimedia.org/wiki/file: free_body.Svg)]

Il componente della forza che agisce sul corpo per scivolare è:

F = mgsenθ

Man mano che la forza applicata aumenta al valore massimo della forza di attrito, questo valore corrisponde alla forza di attrito statico. Quando  F = fRif, La forza di attrito statico è:

FRif= mgsenθ

E il coefficiente di attrito statico è ottenuto dalla tangente dell'angolo di inclinazione θ.

μE = tanθ

Esercizi risolti

-Forza di attrito di un oggetto che poggia su una superficie orizzontale

Una scatola da 15 kg posizionata su una superficie orizzontale è spinta da una persona che applica una forza di 50 Newton lungo una superficie per muoversi e quindi applicare una forza di 25 n per mantenere la scatola in movimento a una velocità costante. Determina coefficienti di attrito statico e cinetico.

Scatola che si muove sulla superficie orizzontale

Soluzione: con il valore della forza applicata per spostare la scatola, si ottiene il coefficiente di attrito statico μE.

μE= FRif/N

La forza normale N in superficie è uguale al peso della scatola, quindi N = m.G

N = 15kgx9,8m/s2

N = 147New

In questo caso, μE= 50New/147New

μE= 0,34

La forza applicata per mantenere la velocità della scatola costante è la forza di attrito cinetico che è pari a 25New.

Il coefficiente di attrito cinetico è ottenuto con l'equazione μC= FRc /N

μC= 25New/147New

μC= 0,17

-Forza di attrito di un oggetto sotto l'azione di una forza con un angolo di inclinazione

Un uomo applica una forza a una scatola da 20 kg, con un angolo di applicazione di 30 ° in relazione alla superficie in cui poggia. Qual è l'entità della forza applicata per spostare la scatola se il coefficiente di attrito tra la scatola e la superficie è 0,5?

Soluzione: la forza applicata e i suoi componenti verticali e orizzontali sono rappresentati nel diagramma del corpo libero.

Diagramma di corpo libero

La forza applicata forma un angolo di 30 ° con la superficie orizzontale. La componente verticale della forza aggiunge alla forza normale che colpisce la forza di attrito statico. La scatola si muove quando il componente orizzontale della forza applicata supera il valore massimo della forza di attrito FRif. Abbinando il componente orizzontale della forza con quello dell'attrito statico, si ottiene:

FRif = Fcosθ                       [1]

FRif= μE.N                          [2]

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μE.N = fcosθ                      [3]

forza normale

La forza normale non è più il peso del corpo a causa della componente verticale della forza.

Secondo la seconda legge di Newton, la somma delle forze che agisce sulla scatola sull'asse verticale è nullo, quindi la componente verticale dell'accelerazione è AE= 0. La forza normale è ottenuta dalla somma

F sen30 ° + n - p = 0                      [4]

P = m.G                                        [5]

F snn 30 ° + n - m.G = 0                [6]

N = m.G - f Sen 30 °                      [7]

Quando si sostituiscono l'equazione [7] nell'equazione [3] si ottiene quanto segue:

μE. (M.G - f sin 30 °) = fcos30 °     [8]

Si schiarisce F Dall'equazione [8] e ottenuto:

F = μE . M.G /(cos 30 ° + μE sin 30 °) = 0,5 x 20 kg x 9,8 m/s2 / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87,5 néw

-Attrito in un veicolo in movimento

Un veicolo da 1,5 tonnellate si muove su una strada rettilinea e orizzontale ad una velocità di 70 km/h. L'autista visualizza, a una certa distanza, ostacoli sulla strada che lo costringono a smettere bruscamente. Dopo aver fermato il veicolo da skate per un breve periodo di tempo fino a quando non si ferma. Se il coefficiente di attrito tra le gomme e la strada è 0,7; Determinare quanto segue:

  1. Qual è il valore dell'attrito mentre il veicolo di patina?
  2. Decelerazione del veicolo
  3. La distanza percorsa dal veicolo dalle fermate fino a quando non si ferma.

Soluzione:

Sezione a

Il diagramma del corpo libero mostra le forze che agiscono sul veicolo durante il pattinaggio.

Forze che agiscono in un veicolo in movimento

Poiché la somma delle forze che agisce nell'asse verticale è zero, la forza normale è uguale al peso del veicolo.

N = m.G

M = 1,5 ton = 1500 kg

N = 1500kgx9,8m/s2= 14700New

La forza di attrito del veicolo durante il pattinaggio è:

FR = μn = 0.7x14700New

= 10290 Nuovo

Sezione b

La forza di attrito influenza la diminuzione della velocità del veicolo durante il pattinaggio.

Quando si applica la seconda legge di Newton, il valore della decelerazione si ottiene cancellando l'equazione F = m.A

A = f/m

a = (-10290 NUOVO)/ 1500kg

= -6,86m/s2

Sezione c

La velocità iniziale del veicolo è v0 = 70 km/h = 19,44m/s

Quando il veicolo interrompe la velocità finale è vF = 0 E la decelerazione è a = -6,86 m/s2

La distanza percorsa dal veicolo, poiché si ferma fino a quando non si ferma, si ottiene eliminando D Della seguente equazione:

vF2 = v02+2AD

D = (VF2 - v02)/2a

= ((0)2-(19,44 m/s)2)/(2x (-6,86 m/s2)

D = 27,54 m

Il veicolo viaggia 27,54 m distanza prima di fermarsi.

 Riferimenti

  1. Calcoli del coefficiente di attrito in condizioni di contatto elastico. Mikhin, n m. 2, 1968, Soviet Material Science, Vol. 4, p. 149-152.
  2. Blau, p j. Scienza e tecnologia dell'attrito. Florida, USA: CRC Press, 2009.
  3. Relazione tra adesione e forze di attrito. Israrachvili, J N, Chen, You-Lung e Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, p. 1231-1249.
  4. Zimba, j. Forza e movimento. Baltimora, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
  5. Bhushan, b. Principi e applicazioni della tribologia. New York: John Wiley and Sons, 1999.
  6. Sharma, c s e purohit, k. Teoria dei meccanismi e delle macchine. Nuova Delhi: Prentice Hall of India, 2006.