Attrito

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Introduzione

Attrito In meccanica, l'effetto delle forze dissipative sul moto di un corpo che si muove su una superficie o all’interno di un mezzo viscoso. A seconda della natura dei corpi coinvolti e del tipo di moto da essi compiuto, si distinguono tre forme di attrito: quello radente, quello volvente e quello interno o viscoso. Trattandosi di una forza, l’attrito, nel Sistema internazionale, si misura in newton (N).

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Attrito radente

L'attrito radente si oppone al moto tra due superfici che scivolano l’una sull’altra. È l’effetto che si sperimenta, ad esempio, quando si trascina una cassa sul pavimento. Si deve al fatto che le superfici dei corpi, per quanto apparentemente lisce, presentano sempre microscopiche irregolarità; tali irregolarità, dell’ordine del micrometro (un milionesimo di metro), favoriscono l’interazione elettrica tra gli atomi delle due superfici, e quindi il rallentamento del moto relativo. In generale, per un corpo in moto su una superficie, la forza di attrito radente è espressa dalla formula

F_a = - µ N

dove µ è il coefficiente di attrito caratteristico del materiale considerato ed N è la forza che tiene il corpo a contatto con la superficie, vale a dire, la componente della forza peso perpendicolare alla superficie stessa. Trattandosi di una grandezza vettoriale, la forza di attrito va definita, oltre che per intensità, per direzione e verso: la direzione è quella lungo cui avviene il moto, mentre il verso, specificato dal segno meno, è quello opposto al moto. Come si osserva, questa forza è indipendente dall'area di contatto e dalla velocità di scorrimento, che nella formula non compaiono in alcun modo.

Il coefficiente di attrito µ è diverso a seconda che si consideri l’istante in cui il moto radente ha inizio o una qualunque altra fase del moto. In generale, infatti, per mettere in moto un corpo inizialmente fermo, è necessario applicare una forza maggiore di quella richiesta per mantenere semplicemente il moto. Di conseguenza, il coefficiente di attrito statico è maggiore del coefficiente di attrito dinamico; entrambi si trovano tabulati e sono caratteristici per ogni materiale.

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Attrito volvente

L'attrito volvente si manifesta quando un corpo solido rotola senza strisciare su una superficie, ad esempio quando una biglia rotola sul piano di un tavolo. In generale, la forza di attrito volvente è espressa dalla formula:

F_a = -(µ/r) N

dove µ rappresenta il coefficiente di attrito volvente, caratteristico per ogni materiale, N la forza perpendicolare alla superficie che tiene il corpo aderente a essa, ed r il raggio del corpo che rotola; poiché r compare al denominatore, più il corpo è grande (r è grande), più piccola è la forza di attrito sperimentata. Con poche eccezioni, la quantità di energia dissipata per effetto dell'attrito volvente è minore rispetto a quella dissipata, in condizioni analoghe, per attrito radente; questa caratteristica spiega la funzione di dispositivi come i cuscinetti a sfera, o di guide a rulli per il trasporto di carichi pesanti: entrambi trasformano l’attrito radente in attrito volvente, in modo da rendere il moto più efficiente.

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Attrito interno

L'attrito interno è un effetto che si produce a livello molecolare, all’interno di un corpo sottoposto a una sollecitazione: ad esempio, è la causa che determina l'arresto delle oscillazioni di un corpo solido dotato di proprietà elastiche, come una corda di pianoforte o un diapason.

Nei corpi fluidi – liquidi o gassosi – l’attrito interno prende più propriamente il nome di viscosità; si manifesta nel moto del fluido stesso, o di un corpo al suo interno. Nel caso in cui il fluido sia in moto a velocità relativamente piccola, tale cioè da non favorire la formazione di vortici, si può pensare la sua massa come costituita da tanti strati paralleli sovrapposti: quelli più vicini alle pareti del condotto risentono di un attrito maggiore, che viene trasmesso agli strati via via adiacenti. In generale, una porzione di liquido di superficie S, posto a distanza d dalla parete del condotto, è soggetta alla forza di attrito viscoso

F_v = - σ S v /d

dove σ (sigma) rappresenta un parametro specifico del fluido, detto coefficiente di viscosità. Nel caso di un corpo in moto all’interno di un fluido, come un sommergibile in immersione, di un aereo nell’aria o anche solo di una bicicletta in moto, la resistenza opposta dal fluido al moto del corpo dipende dalla velocità del corpo, dalla natura del fluido e dalla forma del corpo, e si scrive:

F_v = - k σ r v

In questa formula, k è un parametro che contiene informazioni sulla forma del corpo, σ è il coefficiente di viscosità del fluido, r una dimensione significativa del corpo e v la sua velocità. Poiché l’effetto della forza di attrito viscoso è quello di ridurre la velocità, per un corpo in caduta libera in un fluido (ad esempio nell’aria) esiste un valore della velocità v in corrispondenza del quale la forza peso del corpo (m g) è uguale in modulo alla forza di attrito viscoso (k σ r v). Tale valore, che rimane costante per tutto il resto del moto, prende il nome di velocità limite, o velocità di regime. Per questo un paracadutista, dopo una fase transitoria in cui cade con moto uniformemente accelerato, per il resto del volo si muove di moto rettilineo uniforme (a meno degli effetti di venti e correnti).