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Forze di attrito



Immaginiamo una cassa appoggiata sul pavimento. Cominciamo a spingere la cassa con una forza piccola e notiamo una resistenza che non fa muovere la scatola. Aumentiamo man mano la forza finchè la cassa non si mette in moto e dobbiamo continuare a spingere per mantenere il moto. Per far partire la cassa abbiamo dovuto vincere la resistenza che va sotto il nome di forza di attrico statico (Figura 1, sinistra), mentre quando il corpo è già in moto dobbiamo vincere invece la forza di attrito dinamico .


Figura 1: attrito statico (sinistra) e dinamico (destra).



Quando l'oggetto si muove con velocità uniforme, la somma delle forze sul corpo è uguale a zero. Pertanto oltre alla nostra spinta sul corpo, agisce un'altra forza con stessa direzione e verso opposto al movimento del corpo.


La forza di attrito statico è la forza che cerca di impedire il movimento del corpo. La forza di attrito dinamico è la forza che impedisce il movimento di un corpo in movimento.



Di seguito li studieremo.


Forza di attrito statico



Consideriamo un corpo massa m a riposo su una superficie piana. La forza peso è diretta verticalmente verso il basso e vale:




Dato che il corpo fa un forza sul pavimento, allora per la terza legge di Newton agisce su di esso una forza uguale e opposto, cioè diretto verso l'alto e perpendicolare al pavimento, ossia:




Figura 2: Il corpo sulla superficie ruvida.



Proviamo a spingere il corpo inizialmente con una piccola forza (Figura 3, a sinistra). Il corpo non si muove; sembra essere legato al pavimento.


Il corpo è fermo perciò la somma delle forza e è zero, ossia:




Figura 3: La forza di attrito statico si oppone al moto



Aumentiamo gradualmente la nostra forza. Il corpo ancora non si muove quinid anche la forza di attrito statico aunmenta. Improvvisamente, il corpo si muove. Poco prima dell'inizio del movimento la forza di attrito statico raggiunge il valore massimo(Figura 3, destra).


La forza di attrito statico, quindi, varia da zero ad un valore massimo. Come calcolare la forza massima di attrito statico?


Sappiamo che la forza di attrito deve essere:

  • indipendente dalla dimensione della superficie di contatto;

  • dipendente dal materiale delle superfici di contatto ad esempio per spostare una oggetto di gomma su una superficie di gomma richiede più forza dell'equivalente in legno. Questa quantità è detta coefficiente di attrito statico.


Calcoliamo la forza di attrito:



Se il corpo si trova su una superficie piana, il valore massimo della forza di attrito statico è:




Per il corpo su una superficie orizzontale applica:




Il coefficiente di attrito statico dipende dai materiali delle superfici di contatto tra il corpo e il pavimento.



Esempio

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Forza di attrito dinamico



Quando superiamo la forza di attrito statico e il corpo inizia a muoversi, comincia ad agire sul corpo la forza di attrito dinamico.


Ora vogliamo tirare il corpo in moto rettilineo uniforme, cosa che accade quando la nostra spinta è uguale alla forza di attrito dinamico (figura 4, sinistra). Mentre se la nostra spinta è più grande della forza di attrito statico, per il secondo principio della dinamica, il corpo accelera (figura 4, destra).


Figura 4: La forza di attrito dinamico.



Quando il corpo si muove uniformemente e in linea retta, in accordo con la legge di inerzia la somma di tutte le forze che agiscono su di esso è zero, ossia:




Se aumentiamo la spinta, la forza d'attrito rimarrà la stessa. La loro differenza non è zero e il corpo accelererà:
Dal secondo principio, sapendo che sul corpo agiscono e , abbiamo:


Se la spinta scende sotto la forza di attrito dinamico, il corpo decelera fino a fermarsi.


La forza di attrito dinamico è calcolata come la forza di attrito statico, però bisogna predere il coefficiente di coefficiente di attrito dinamico:




oppure, se il moto avviene lungo una retta orizzontale:




Per mantenere un corpo in movimento, dobbiamo eguagliare o superare la forza di attrito dinamico. Essa viene calcolata come il prodotto del coefficiente di attrito e la forza normale:




Per il corpo su una superficie orizzontale si applica:




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redattore del materiale didattico: Alessandro Dell'Orto