L’attrito statico è una forza che resiste al movimento di due oggetti l’uno contro l’altro quando gli oggetti sono inizialmente a riposo. Un semplice esempio è un blocco di legno seduto su una rampa: è necessario applicare una forza per far scivolare il blocco lungo la rampa. Un altro termine, attrito cinetico, si applica alla forza che si oppone agli oggetti che si stanno già muovendo l’uno contro l’altro. La forza di queste forze può essere calcolata ed è nota come coefficiente di attrito. In situazioni reali, il coefficiente di attrito statico si trova quasi sempre maggiore di quello cinetico, ma in esperimenti attentamente controllati, in cui le superfici degli oggetti sono state accuratamente pulite, i due sono generalmente gli stessi.
Tipicamente, all’aumentare della forza applicata a un oggetto su una superficie, la forza di attrito statico aumenterà inizialmente per abbinarla, in modo che l’oggetto non si muova. Dopo un certo punto, tuttavia, l’oggetto inizierà a muoversi e, a questo punto, la forza di attrito diminuirà, in modo che sia necessaria meno forza per mantenere l’oggetto in movimento. Ad esempio, la forza di attrito può corrispondere alla forza applicata fino a 50 newton – la forza è misurata in newton (N) – ma successivamente può scendere a 40 N. Pertanto, è necessaria una forza di poco superiore a 50 N per ottenere l’oggetto in movimento, ma in seguito basteranno poco più di 40 N.
Calcolo del coefficiente
I coefficienti di attrito statico possono essere calcolati per qualsiasi materiale solido o coppia di materiali. Un valore di coefficiente potrebbe quindi applicarsi a legno su legno, acciaio su acciaio o acciaio su legno. Un modo per calcolare il valore per una coppia di materiali è posizionare un blocco di un materiale su una rampa fatta dell’altro: per un singolo materiale, il blocco e la rampa sarebbero fatti della stessa sostanza. La pendenza sulla rampa viene gradualmente aumentata, fino a quando il blocco non scivola verso il basso. L’angolo con cui ciò avviene può quindi essere utilizzato per calcolare il coefficiente di attrito statico.
Il coefficiente, quando usato in formule ed equazioni, è dato dal simbolo μ – la lettera greca mu. Di solito si usa un pedice per distinguere i due: μs indica l’attrito statico, mentre μk significa attrito cinetico. Ad esempio, il μs per acciaio su acciaio è 0.74, mentre il μk per questo materiale è 0.57. Questi valori si riferiscono a situazioni tipiche della vita reale e possono variare leggermente a seconda delle circostanze. Poiché il valore μs può essere influenzato da irregolarità superficiali, sporco e tracce di altre sostanze, il valore μk è considerato più accurato, ed è quello solitamente indicato quando è richiesto un semplice coefficiente di attrito.
Fattori che influenzano l’attrito
Numerosi fattori contribuiscono all’attrito statico, ma di solito il più importante è la rugosità delle superfici. Anche se levigati, i diversi materiali variano in termini di dettagli fini delle loro superfici. In termini pratici, nessuna superficie è completamente liscia, ma alcune avranno irregolarità maggiori di altre. La differenza è evidente, in alcuni casi: ad esempio, un lenzuolo di seta ha una trama molto liscia che crea meno attrito, mentre una strada asfaltata asciutta è ruvida, generando più resistenza al movimento. Altri fattori includono l’attrazione elettrostatica e i tipi di legami chimici deboli che possono formarsi tra le superfici.
Esempi
Molte persone hanno familiarità con l’attrito statico, poiché lo incontrano quasi quotidianamente; ad esempio, è al lavoro quando qualcuno fa scorrere un libro su un tavolo. Inizialmente, è necessario esercitare una piccola quantità di forza per far muovere il libro, ma una volta che si muove, entra in gioco l’attrito cinetico e sarà necessario meno sforzo per spostarlo. La quantità di forza richiesta può variare a seconda delle circostanze. Ad esempio, se un libro ha una copertina di una biblioteca e si è bagnato, il libro bagnato richiederà più forza per muoversi, mentre un libro tascabile nuovo di zecca potrebbe scivolare molto facilmente su un tavolo di legno asciutto con una superficie verniciata.
Sono disponibili tabelle dei coefficienti di attrito statico e cinetico per molti materiali comuni e loro combinazioni. Un valore più alto indica un maggiore attrito, quindi è necessario applicare più forza per causare il movimento. Ad esempio, il μs per l’alluminio su alluminio è 1.05 – 1.35, che è molto alto, mentre il valore per il politetrafluoroetilene (PTFE) su PTFE è 0.04, che è estremamente basso e lo rende molto scivoloso. È difficile mettere in moto un’auto ferma a causa dell’attrito intenzionale tra le gomme e il terreno; questo consente al conducente un maggiore controllo e rende meno probabile che l’auto sbandi.
Calcolo della distanza di frenata
Un esempio dell’applicazione dell’attrito statico è nel calcolo dello spazio di frenata per un’auto a una data velocità e in condizioni particolari. In circostanze normali, quando i pneumatici girano su strada, si applica l’attrito statico, piuttosto che cinetico. Il μs per uno pneumatico da asciutto su strada asciutta è di circa 1.00, mentre il valore per uno pneumatico da bagnato su strada bagnata è solo 0.2: ciò significa che la distanza di frenata sarà cinque volte maggiore in condizioni di bagnato. In condizioni di asciutto, un’auto che viaggia a 31 miglia all’ora (50 km/h) ha uno spazio di frenata di 33 piedi (10 metri), mentre in condizioni di bagnato lo spazio di frenata sarebbe di 164 piedi (50 metri). Quando i pneumatici scivolano, anziché rotolare, lungo la superficie, come potrebbe essere il caso in condizioni di ghiaccio, è importante l’attrito cinetico.