Força de fricção. Tipos de forças de atrito seco
As forças de atrito aparecem quando corpos em contato ou suas partes se movem umas em relação às outras. O atrito que ocorre durante o movimento relativo de dois corpos em contato é denominado externo; o atrito entre partes do mesmo corpo sólido (por exemplo, líquido ou gás) é chamado fricção interna .
A força de atrito que ocorre quando um corpo sólido se move em relação a um meio líquido ou gasoso deve ser classificada como uma força fricção interna, pois neste caso as camadas do meio que estão em contato direto com o corpo são acionadas por ele na mesma velocidade que o corpo, e o movimento do corpo é influenciado pelo atrito entre essas camadas do meio externo para eles.
Definição 1
O atrito entre as superfícies de dois corpos sólidos na ausência de qualquer camada, como lubrificante, entre eles é denominado seco . O atrito entre um meio sólido e um meio líquido ou gasoso, bem como entre as camadas de tal meio, é denominado viscoso (ou líquido). Em relação ao atrito seco existem: Fricção deslizante, fricção de rolamento E fricção estática.
Força de fricção deslizante
O atrito deslizante ocorre quando um corpo se move sobre a superfície de outro. Quanto maior o peso do corpo e maior o coeficiente de atrito entre essas superfícies (o coeficiente depende do material de que são feitas as superfícies), maior será a força de atrito de deslizamento.
A força de atrito deslizante não depende da área das superfícies de contato. Ao se mover, um bloco apoiado em sua face maior terá a mesma força de atrito deslizante como se estivesse colocado em sua face menor.
Causas da força de atrito deslizante:
As menores irregularidades nas superfícies de dois corpos são os meios pelos quais os corpos se agarram um ao outro quando se movem. Se não houvesse força de atrito deslizante, então um corpo colocado em movimento por uma ação de curto prazo de uma força sobre ele continuaria a se mover uniformemente. No entanto, como a força de atrito deslizante existe e é direcionada contra o movimento do corpo, o corpo para gradualmente.
Interações intermoleculares nas superfícies de contato de dois corpos. Esta interação só pode ocorrer em superfícies muito lisas e bem polidas. Moléculas de corpos diferentes estão muito próximas umas das outras e se atraem. Por causa disso, o movimento do corpo fica mais lento.
O vetor de força de atrito deslizante $\overline(F)_(mp) $é sempre direcionado de forma oposta ao vetor velocidade do corpo em relação ao corpo em contato com ele. Portanto, a ação da força de atrito deslizante sempre leva a uma diminuição do módulo da velocidade relativa dos corpos.
Força de atrito de rolamento
A força de atrito de rolamento ocorre quando outro corpo, geralmente redondo, rola sobre a superfície de um corpo. Por exemplo, as rodas dos veículos rolando na estrada, um barril virado de lado em uma colina, uma bola no chão. A força de atrito de rolamento é muito menor que a força de atrito de deslizamento. Lembre-se de que é mais fácil carregar uma sacola grande sobre rodas do que arrastá-la pelo chão. A razão está no diferente método de contato entre o corpo em movimento e a superfície. Ao rolar, a roda parece pressionar, esmagar a superfície e se afastar dela. Uma roda rolante não precisa capturar muitas pequenas irregularidades superficiais, como acontece com corpos deslizantes.
Nota 1
Quanto mais dura for a superfície, menor será a força de atrito de rolamento. Por exemplo, é mais difícil andar de bicicleta na areia do que no asfalto, pois na areia é preciso superar uma maior força de atrito de rolamento. Isso se deve ao fato de que é mais fácil empurrar em superfícies duras, pois elas não são pressionadas demais. Podemos dizer que a força que atua da roda sobre uma superfície sólida não é gasta na deformação, mas quase toda é devolvida na forma de uma força normal de reação de apoio.
Força de atrito estático
A força que surge na fronteira de contato dos corpos na ausência de movimento relativo dos corpos é chamada de força de atrito estático.
A força de atrito estático $\overline(F)_(mp) $é igual em magnitude força externa$\overline(F)$, direcionado tangencialmente à superfície de contato dos corpos, e oposto a ela no sentido:
A força do atrito estático nos rodeia por toda parte. Todos os objetos que estão sobre outros corpos são mantidos pela força de atrito estático. A força de atrito estático é suficiente para segurar objetos em superfícies inclinadas. Por exemplo, uma pessoa pode estar em uma encosta com um bloco imóvel sobre uma régua ligeiramente inclinada. Além disso, graças à força do atrito estático, são possíveis formas de movimento como caminhar e andar a cavalo. Nestes casos, a “adesão” à superfície ocorre devido à força de atrito estático, tornando possível o impulso da superfície.
As razões para a força de atrito estático são as mesmas que para a força de atrito deslizante.
A força de atrito estático ocorre quando é feita uma tentativa de mover um corpo em pé. Enquanto a força que tenta mover o corpo for menor que a força de atrito estático, o corpo permanecerá no lugar. Assim que essa força exceder uma determinada força máxima de atrito estático para esses dois corpos, um corpo começará a se mover em relação ao outro, e a força de atrito deslizante ou de rolamento já atuará sobre ele.
Nota 2
Na maioria dos casos, a força máxima de atrito estático é ligeiramente maior que a força de atrito deslizante. Portanto, para começar a movimentar o gabinete, primeiro você deve aplicar um pouco mais de esforço do que quando o gabinete já está em movimento. Muitas vezes a diferença entre as forças de atrito estático e de deslizamento é desprezada, considerando-as iguais.
No modelo mais simples de atrito seco, as seguintes leis são satisfeitas. Eles são uma generalização de fatos experimentais e são de natureza aproximada:
o valor máximo da força de atrito estático é igual à força de atrito deslizante;
o valor absoluto da força de atrito deslizante é diretamente proporcional à força de reação do suporte: $\overline(F)_(mp) =\mu N$, e o coeficiente de proporcionalidade $\mu $ é chamado de coeficiente de atrito;
o coeficiente de atrito não depende da velocidade de movimento do corpo sobre uma superfície rugosa;
o coeficiente de atrito não depende da área das superfícies de contato.
Exemplo 1
Os alunos instalaram um ímã com massa de $ 30$ g em um conselho escolar. O ímã é pressionado contra a placa com uma força de $6 H$. Que força deve ser aplicada para deslizar o ímã para baixo e movê-lo verticalmente para cima se o coeficiente de atrito for $0,3$?
Dado: $m=30$g, $N=6 H$, $\mu =0,3$.
Encontre: $F_(1) $, $F_(2) $-?
Solução:
Imagem 1.
Para mover o ímã para baixo, a soma da força de gravidade $mg$ e a força adicional aplicada $F_(1) $ deve ser igual à força de atrito $F_(B@) $ (ou ser maior):
$mg+F=F_(mp)$(1).
Da fórmula (1) e da fórmula geral da força de atrito
encontramos a força necessária para deslizar o ímã para baixo:
$F_(mp) =\mu N$($N$ é a força com que o ímã é pressionado contra a placa):
$F_(1) =\mu N-mg=1,5 H$.
Para uma força ascendente, a equação (1) terá a forma:
$F_(2) =\mu N+mg=2,1 H$
Responder:$F_(1) =1,5 H$, $F_(2) =2,1 H$.
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Entre as superfícies de contato com sólidos.
Descanse o atrito. Experimente mover um livro grosso sobre a mesa com o dedo. O livro permanecerá no lugar até que a força que atua sobre ele atinja um determinado valor. Este fato é completamente familiar, mas, se você pensar bem, bastante estranho e incompreensível.
Afinal, o que isso significa? Você aplica alguma força ao livro, direcionada, digamos, ao longo da superfície da mesa, e o livro permanece em repouso. Conseqüentemente, surge uma força entre o livro e a superfície da mesa, direcionada de forma oposta à força com a qual você atua sobre o livro, e exatamente igual a ela em magnitude. Você empurra o livro com mais força, mas ele ainda permanece no lugar. Isso significa que a força de atrito também aumenta.
A força de atrito que atua entre dois corpos estacionários um em relação ao outro é chamada força de atrito estático.
Se uma força paralela à superfície em que está localizado atua sobre um corpo e o corpo permanece imóvel, isso significa que a força de atrito estático atua sobre ele F tr, igual em magnitude e direcionado na direção oposta à força ( Figura 4.14). Consequentemente, a força de atrito estático é determinada pela força que atua sobre ela
Em outras palavras, quando a aceleração de um corpo é zero, a força de atrito é igual em magnitude e oposta em direção à força que, junto com o atrito, atua sobre o corpo paralelamente à superfície de seu contato com outro corpo. Se nenhuma outra força atuar paralelamente a esta superfície, o atrito estático será zero.
O maior valor da força de atrito, no qual o deslizamento ainda não ocorre, é chamado força máxima de atrito estático. Se a força que atua sobre um corpo em repouso exceder, mesmo que ligeiramente, a força máxima de atrito estático, o corpo começará a deslizar.
Para determinar a força máxima de atrito estático, existe uma lei quantitativa muito simples, mas não muito precisa. Vamos carregar o bloco com pesos ( Figura 4.15) o mesmo peso do próprio bloco. Neste caso, a força com que o bloco atua sobre a mesa perpendicular à superfície da mesa aumentará 2 vezes. Mas a força, de acordo com a terceira lei de Newton, é igual em magnitude e oposta em direção à força da reação normal do suporte que atua sobre o bloco na lateral da mesa. Consequentemente, a força aumentará 2 vezes. Se medirmos novamente a força máxima de atrito estático, veremos que ela aumentou tantas vezes quanto a força aumentou, ou seja, 2 vezes.
Carregando o bloco com vários pesos e medindo a cada vez a força máxima de atrito estático, estaremos convencidos de que o valor máximo do módulo da força de atrito estático é proporcional ao módulo da força de reação normal do suporte
. Esta lei foi estabelecida experimentalmente pela primeira vez pelo físico francês Coulomb.
Se denotarmos o módulo da força máxima de atrito estático por F tr.max, então podemos escrever:
Onde µ
- coeficiente de proporcionalidade, denominado coeficiente de atrito estático. O coeficiente de atrito caracteriza ambas as superfícies de atrito e depende não apenas do material dessas superfícies, mas também da qualidade do seu processamento. O coeficiente de atrito é determinado experimentalmente.
A força máxima de atrito estático não depende da área de contato entre os corpos. Se você colocar o bloco na face menor, então F tr.max Não mudará.
A força de atrito estático varia de zero a um valor máximo igual a . O que pode causar uma mudança na força de atrito?
O ponto aqui é este. Quando uma certa força é aplicada a um corpo, ela se desloca ligeiramente (imperceptivelmente ao olho), e esse deslocamento continua até que a rugosidade microscópica das superfícies se posicione uma em relação à outra de tal forma que, enganchando-se uma na outra, elas irão levar ao aparecimento de uma força que equilibra a força. À medida que a força aumenta, o corpo se moverá ligeiramente novamente, de modo que as menores irregularidades da superfície se apeguem umas às outras de maneira diferente e a força de atrito aumentará. E só quando F tr.max Não importa a posição relativa da rugosidade da superfície, a força de atrito não será capaz de equilibrar a força e o deslizamento começará.
Ao caminhar e correr, as solas dos pés estão sujeitas ao atrito estático, a menos que os pés escorreguem. A mesma força atua nas rodas motrizes do carro. As rodas motrizes também sofrem a ação de uma força de atrito estático, mas desta vez freando o movimento, e essa força é significativamente menor do que a força que atua nas rodas motrizes (caso contrário, o carro não seria capaz de se mover).
Nos tempos antigos, quando a capacidade da força de atrito estático de assumir diferentes valores não era muito bem compreendida, duvidava-se que uma locomotiva a vapor fosse capaz de circular sobre trilhos lisos. Eles pensaram que o atrito que freava as rodas motrizes seria igual à força de atrito que atuava nas rodas motrizes. Foi até proposto engrenar as rodas motrizes e colocar trilhos com engrenagens especiais para elas.
Fricção deslizante. Ao deslizar, a força de atrito depende não apenas do estado das superfícies de atrito, mas também da velocidade relativa dos corpos, e esta dependência da velocidade é bastante complexa. A experiência mostra que muitas vezes (embora nem sempre) logo no início do deslizamento, quando a velocidade relativa ainda é baixa, a força de atrito torna-se um pouco menor que a força de atrito estático máxima. Só então, à medida que a velocidade aumenta, ela cresce e começa a ultrapassar F tr.max.
Você provavelmente já percebeu que um objeto pesado, como uma caixa, é difícil de mover, mas depois se torna mais fácil movê-lo. Isto é explicado precisamente pela diminuição da força de atrito quando o deslizamento ocorre em baixa velocidade.
A dependência do módulo da força de atrito deslizante com o módulo de velocidade relativa dos corpos é mostrada na Figura 4.16.
Em velocidades relativas de movimento não muito altas, a força de atrito deslizante difere pouco da força de atrito estático máxima. Portanto, pode ser considerado aproximadamente constante e igual à força máxima de atrito estático:
Uma característica importante da força de atrito deslizante é que ela é sempre direcionada de forma oposta à velocidade relativa dos corpos em contato.
A força do atrito deslizante pode ser reduzida muitas vezes usando um lubrificante - geralmente uma fina camada de líquido (geralmente algum tipo de óleo mineral) - entre as superfícies de atrito. O atrito entre camadas de líquido adjacentes a superfícies sólidas é muito menor do que entre superfícies secas. Nem uma única máquina moderna, como o motor de um carro ou de um trator, pode funcionar sem lubrificação. Um sistema de lubrificação especial está previsto no projeto de todas as máquinas.
A força de atrito depende da velocidade relativa dos corpos. Esta é a sua principal diferença em relação às forças da gravidade e da elasticidade, que dependem apenas das distâncias.
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Física 10ª série
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Aula sobre o tema: “Forças de atrito entre superfícies de contato de corpos sólidos”
Lições objetivas:
Educacional:
Atualizar e aprofundar o conhecimento dos alunos sobre a força de atrito: estudar os tipos de forças de atrito seco, a natureza da ocorrência das forças de atrito; estabelecer usando fatos experimentais:
De que depende ou não a magnitude da força de atrito estático?
Compare o módulo das forças de atrito estático, deslizante e de rolamento.
Estabelecer uma relação matemática entre a força de atrito e a força de reação de apoio;
Considere o significado físico do coeficiente de atrito, resolva problemas qualitativos e de cálculo sobre o tema.
Objetivo de desenvolvimento:
desenvolvimento da fala, desenvolvimento do pensamento: capacidade de comparar, realizar análises, usar materiais de referência, fazer analogias, tirar conclusões; desenvolvimento de habilidades de observação.
Objetivo educacional:
incutir disciplina, diligência, rigor (fazer anotações em cadernos), adesão aos padrões de comportamento, atitude tolerante para com os erros dos companheiros, maior desenvolvimento do trabalho individual e de grupo na aula.
Tipo de aula: aula de estudo e consolidação primária de conhecimentos.
Download:
Legendas dos slides:
O maior valor da força de atrito, no qual o deslizamento ainda não ocorreu, é chamado de força de atrito estático máximo:
F
tr.max
µ - coeficiente de atrito
Caracteriza ambas as superfícies de atrito;
- depende dos materiais e da qualidade do processamento das superfícies de atrito.
Fricção deslizante
A força de atrito deslizante é a força de atrito que ocorre quando um corpo desliza sobre a superfície de outro.
Se as superfícies dos corpos em contato forem sólidas
, Que:
F
tr.qualidade
F
tr
.
Se as superfícies estiverem soltas,
T
Ó:
F
tr.qualidade
F
tr
.
Tópico da lição: "
Forças de atrito entre superfícies de contato de corpos sólidos."
Lições objetivas:
2. Ser capaz de determinar a direção das forças de atrito seco
3.Ser capaz de medir forças de atrito.
Fricção estática
A força de atrito que atua entre dois corpos imóveis um em relação ao outro é chamada de força de atrito estático:
F
tr.p
.
A força de atrito estático é igual em magnitude e dirigida de forma oposta à força aplicada ao corpo paralelamente à superfície de seu contato com outro corpo:
F
tr.p
.
Sh.O. Pingente
(1736-1806) - Cientista francês, famoso por seu trabalho sobre eletricidade e magnetismo e pelo estudo das forças de atrito.
Lições objetivas:
1.Conhecer a definição dos conceitos de atrito estático,
fricção deslizante, fricção rolante.
3.Ser capaz de medir forças de atrito.
4. Obtenha fórmulas para calcular as forças de atrito.
5. Resolver problemas qualitativos e de cálculo utilizando conhecimentos sobre forças de atrito.
Exemplo
:
µ
0,001 para uma roda de vagão sobre trilhos
;
µ
=0,4 (coeficiente de atrito de deslizamento aço-aço
)
Conclusões da experiência:
2. A força máxima de atrito estático não depende da área de contato entre os corpos.
Força de atrito deslizante:
- não depende da área de contato dos corpos;
- direcionado oposto à velocidade relativa dos corpos em contato
- depende da velocidade relativa dos corpos
Trabalho de casa:
Fundamentos:
§37, Nº 244, Nº 245, Nº 247.(
Rymkevich
)
Adicional:
№ 262, №268 (
Rymkevich
Forças de atrito seco
Fricção estática
Fricção deslizante
Fricção de rolamento
Conclusões da experiência
:
1. O valor máximo do módulo da força de atrito estático é proporcional ao módulo da força de reação de apoio.
F
tr.
máx.
qualidade
–
coeficiente de atrito de rolamento
depende:
-
no material de que são feitas as superfícies de contato;
- na velocidade de rolamento.
Lições objetivas:
1.Conhecer a definição dos conceitos de atrito estático,
T
fricção deslizante, fricção rolante.
2. Ser capaz de determinar a direção das forças de atrito seco.
3.Ser capaz de medir forças de atrito.
4. Obtenha fórmulas para calcular as forças de atrito.
5. Resolver problemas qualitativos e de cálculo utilizando conhecimentos sobre forças de atrito.
Coeficiente de atrito para alguns pares de materiais.
Em 1781 Pingente SO:
F
tr.qualidade
Proporcional à força de reação do solo;
- direcionado de forma oposta à velocidade relativa dos corpos em contato.
Maneiras de reduzir o atrito:
- reduzir a rugosidade superficial;
-use lubrificante;
- reduzir a força de pressão no suporte.
A força de atrito estático pode causar aceleração do movimento do corpo
No
pequeno
velocidades relativas
d
visões,
força de atrito deslizante
pode ser considerada constante e
igual à força máxima
fricção estática.
F
tr.
=
F
tr.
máx.
O objetivo da lição
:
Estude as forças de atrito seco:
fricção estática,
Fricção deslizante,
fricção de rolamento.
A força de atrito estático aumenta de zero ao valor máximo
Significado físico do coeficiente de atrito:
µ
=F
tr.
máx.
/N
O coeficiente de atrito mostra que parte da força de pressão normal é a força de atrito.
Fricção de rolamento
O atrito de rolamento é a força de atrito que ocorre quando um corpo rola sobre a superfície de outro.
F
tr.qualidade
.
Maneiras de aumentar as forças de atrito:
-
aumentar a rugosidade superficial;
- aumentar a força de pressão no suporte;