Le forze di attrito

La forza d'attrito (o attrito) è una forza di contatto fra due superfici, ed è sempre diretta in senso contrario al moto. La forza d'attrito che si manifesta tra superfici in quiete tra loro è detta di attrito statico, tra superfici in moto relativo si parla invece di attrito dinamico.

Secondo l'interpretazione classica, esistono tre diversi tipi di attrito:

• attrito radente: dovuto allo strisciamento, che avviene su superfici piane;
• attrito volvente: dovuto al rotolamento, che avviene su superfici curve;
• attrito viscoso: relativo a un corpo immerso in un fluido.

Ci sono diverse interpretazioni sulle cause di questa forza: la meccanica galileiana proponeva come causa dell'attrito le asperità tra le superfici a contatto; studi più recenti hanno dimostrato che l'attrito è dovuto soprattutto a fenomeni di adesione (legami chimici) tra le molecole che compongono le superfici a contatto.

Gli effetti dissipativi prodotti dall'attrito volvente sono in generale molto minori rispetto a quelli dovuti all'attrito radente. Da ciò derivano le applicazioni di ruote o rulli per il trasporto di oggetti pesanti che, se trascinati, richiederebbero molta più energia per essere spostati, e l'interposizione di cuscinetti a sfere tra perni e supporti.

Attrito radente

L’attrito radente si presenta quando ci sono due corpi a contatto che strisciano. Possiamo avere due tipi diversi di attrito radente:

-         attrito radente statico, quando il corpo non si muove, ma oppone comunque una certa resistenza ad essere mosso, es.: quando si vuole spingere un grossa massa, come un auto, bisogna produrre un notevole sforzo fisico per smuoverla.

-         Attrito radente dinamico, si ha quando il corpo è già in moto, ma continua a opporre una certa resistenza.

Mentre l’attrito dinamico ha un valore costante che non dipende dalle condizioni di moto, l’attrito statico risulta crescente con la forza applicata, fino ad un valore massimo oltre il quale il corpo inizia a muoversi e si passa così ad un attrito dinamico.

La relazione fisica, di tipo sperimentale, che è alla base dell’attrito radente è:

F_a=k_r·F_P                  (1)

Dalla (1) si osserva che la forza di attrito F_a è direttamente proporzionale alla forza-peso del corpo e direttamente proporzionale ad una costante k_r chiamata coefficiente di attrito radente.

Il coefficiente d'attrito è una grandezza adimensionale e dipende dai materiali delle due superfici a contatto e dal modo in cui sono state lavorate. Il coefficiente di attrito statico k_rs è sempre maggiore o uguale al coefficiente d'attrito dinamico k_rd per le medesime superfici. Dal punto di vista microscopico, esso è dovuto alle forze di interazione tra gli atomi dei materiali a contatto.

La forza di attrito definita dall'eq. (1) rappresenta la forza di attrito massima che si manifesta nel contatto tra due superfici. Se la forza motrice F è minore di k_rs·F_p, allora l'attrito è pari a F e il corpo non si muove; se F supera k_rs·Fp, il corpo inizia a muoversi; per valori di F ancora maggiori, l'attrito (dinamico) è sempre costante e pari a k_rd ·F_p.

Dalla (1) si evidenzia che la forza di attrito in nessuna maniera dipende dalla superficie di contatto.

Attrito volvente

L'attrito volvente si presenta quando un corpo cilindrico o una ruota rotola senza strisciare su una determinata superficie. Il rotolamento è reso possibile dalla presenza di attrito radente tra la ruota e il terreno; se questo attrito non ci fosse, o fosse minimo (come nel caso di un terreno ghiacciato), la ruota striscerebbe senza riuscire a rotolare.

La legge fisica alla base dell’attrito volvente è analoga a quella vista per l’attrito radente:

F_a= k·F_P

A parità delle altre condizioni, la resistenza opposta dall'attrito volvente è tanto minore quanto maggiore è il raggio di curvatura del corpo che rotola. La relazione precedente allora si modifica nel seguente modo:  

F_a= (k_v·F_P)/R

Attrito viscoso

Quando un corpo si muove all'interno di un fluido (liquido o gas) è soggetto ad una forza di attrito dovuta all'interazione del corpo con le molecole del fluido.

A seconda della velocità la legge fisica che esprime la forza viscosa è:

F_a= k_visc·v     (per moti a basse velocità)

F_a= k_visc·v²     (per moti ad alte velocità)