11.3 La Forza di Attrito.



   In questo capitolo ci occuperemo di capire un po' piu' a fondo il fenomeno dell'attrito. Questo e' un problema molto complesso, qui studieremo due casi alquanto semplici che hanno a che fare con due tipi di attrito: statico e dinamico. Come al solito dovremo fare degli esperimenti per comprendere questo fenomeno.

   mostra un apparato sperimentale che permette di comprendere l'attrito statico e dinamico.   


Figura 1.11.3 La forza di attrito. I pulsanti permettono di evidenziare le forze in gioco. I cursori modificano i pesi dei corpi.

   Proviamo ad applicare una piccola forza orizzontalmente al piano. L'esperienza quitidiana ci dice che, se proviamo a spingere piano un oggetto abbastanza pesante, questo non si muove. Per poterlo muovere occorre applicare una forza sufficientemente grande. Cosa sta accadendo in questo caso? La II legge di Newton ci dice che se applichiamo ad un corpo una forza questo dovrebbe accelerare, perche' questo non si muove? La risposta e' in una nuova forza che chiameremo forza di attrito statico. Statico perche' viene applicata a corpi a riposo. La spiegazione del fenomeno sta in questi termini. Qualunque corpo anche se apparentemente liscio, in una scala ravvicinata, presenta grandi asperita'. Lo stesso accade per il piano. Se poggiamo un corpo su un piano in realta' la superficie di contatto e' piccolissima in quanto i corpi si toccheranno solo sulle punte delle asperita'. Questo vuol dire che il corpo poggia solo su poche punte che sono soggette a pressioni molto grandi. Quando un materiale e' soggetto a pressioni molto grandi fonde per cui fra corpo e piano dobbiamo immaginare che si formino tante piccole saldature. Quindi per poter muovere un corpo bisogna prima rompere tutte queste saldature. E' per questa ragione che applicando una forza piccola il corpo non si muove. Solo quando avremo applicato una forza sufficientemente grande il corpo si mette in movimento. Quanto vale questa forza? Essa e' proporzionale alla forza con cui il corpo preme sulla superficie, alla forza normale alla superficie. Il coefficiente di proporzionalita' e' $\mu_S$ e viene chiamato coefficiente di attrito statico. Quindi la forza di attrito statico ha un valore massimo definito dalla quantita' $\mu_S N$ e si esprime nel seguente modo:

\begin{displaymath}f_S \le \mu_s N \qquad (1)\end{displaymath}

dove il segno di minore o uguale intende dire che $\mu_S N$ e' il massimo valore della forza di attrito statico che si puo' sviluppare fra le due superfici. Tutto questo puo' essere verificato nella simulazione. Nella condizione di partenza, agendo sul pulsante ``Start'' i corpi non si muovono. La forza di attrito $f_S$ e' uguale e di segno contrario alla tensione del filo T. Aumentando il peso P di un'altra unita', il sistema rimane ancora in equilibrio. La forza di attrito statico eguaglia ancora la tensione che e' cresciuta in corrispondenza. Aumantando ancora il peso P il sistema si mette in movimento, la tensione ha superato la forza massima di attrito statico e ora l'attrito diventa dinamico, infatti la forza di attrito diminuisce. Si puo' ora modificare la forza normale alla superficie aumentando il peso del corpo e ripetere la procedura. Si vedra' ora che occorrono piu' pesi per mettere in movimento il sistema in quanto, essendo aumentata N e' cresciuta in corrispondenza anche la forza massima di attrito statico. Cosa accade quando il corpo si mette in movimento? Ora possiamo immaginare che le saldature siano state gia' rotte e il corpo per potersi muovere deve solo vincere le asperita'. Si sviluppa un nuovo attrito che chiameremo attrito dinamico. La forza di attrito dinamico si scrive:

\begin{displaymath}f_D = \mu_D N \qquad (2)\end{displaymath}

dove $\mu_D$ e' il coefficiente di attrito dinamico ed N e' sempre la forza normale alla superficie. Una proprieta' importante dell'attrito e' che $\mu_S$ e' sempre maggiore di $\mu_D$. Questo riflette l'esperienza quotidiana che ci vuole una forza notevole per mettere in movimento un oggetto pesante poggiato sul pavimento, ma e' relativamente piu' semplice tenerlo in moto.