▷ Forza di attrito (o forza di attrito)

Questo articolo spiega cos’è la forza di attrito (o forza di attrito) in fisica e come viene calcolata. Troverai quindi le proprietà della forza di attrito, i due tipi di forza di attrito che esistono e, inoltre, esercizi specifici da praticare.

Cos’è la forza di attrito?

La forza di attrito , chiamata anche forza di attrito , è una forza di contatto che si verifica quando si tenta di spostare un corpo sulla superficie di un altro corpo.

Più precisamente, la forza di attrito è una forza esercitata in direzione parallela e opposta al movimento.

Esistono due tipi di forze di attrito: forza di attrito statico e forza di attrito dinamico. A seconda dei casi, agisce l’uno o l’altro. Di seguito vedremo la differenza tra loro.

In generale la forza di attrito è rappresentata dal simbolo F _R.

Caratteristiche della forza di attrito

Ora che conosciamo la definizione di forza d’attrito (o forza d’attrito), vediamo quali sono le caratteristiche di questo tipo di forza:

La forza di attrito è una forza di contatto, cioè agisce solo se due superfici sono in contatto.
Inoltre, la forza di attrito appare solo quando un corpo si muove o tenta di spostarsi sopra un altro.
La direzione della forza di attrito è parallela alla direzione del movimento.
La direzione della forza di attrito è opposta al movimento.
La forza di attrito non dipende dalla velocità con cui i corpi scivolano.
La forza di attrito non dipende dalla dimensione della superficie a contatto.
Ma la forza di attrito dipende dai materiali a contatto, dalla loro finitura e dalla temperatura.
La forza di attrito è direttamente proporzionale alla forza normale.

Formula della forza di attrito

La forza di attrito è uguale al coefficiente di attrito moltiplicato per la forza normale. Pertanto, per calcolare la forza di attrito, bisogna prima trovare la forza normale e poi moltiplicarla per il coefficiente di attrito tra le due superfici di contatto.

La formula per la forza di attrito (o forza di attrito) è quindi la seguente:

$F_R=\mu\cdot N$

Oro:

$F_R$

è la forza di attrito o attrito, espressa in newton.
$\mu$

è il coefficiente di attrito, che non ha unità.
$N$

è la forza normale, espressa in newton.

Forza di attrito statico e dinamico

Il valore della forza di attrito dipende dal fatto che il corpo sia fermo o in movimento. Ad esempio, sicuramente hai provato a trascinare un corpo molto pesante e all’inizio è stato difficile spostarlo, ma una volta che sei riuscito a spostare un po’ il corpo, diventa più facile continuare a trascinare l’oggetto.

Infatti, in generale, la forza di attrito quando il corpo è fermo è maggiore rispetto a quando il corpo è in movimento.

Distinguiamo quindi due tipi di forza di attrito (o forza di attrito):

Forza di attrito statico : è la forza di attrito che agisce quando il corpo non è ancora in movimento.
Forza di attrito dinamico (o cinetico) : è la forza di attrito che agisce quando il corpo ha già iniziato il movimento.

Allo stesso modo, anche il coefficiente di attrito statico viene distinto dal coefficiente di attrito dinamico, che viene utilizzato per determinare rispettivamente la forza di attrito statico e la forza di attrito dinamico.

Infine il valore della forza di attrito varia come mostrato nel grafico seguente:

La forza di attrito statico è uguale alla forza applicata per cercare di spostare il corpo ma la sua direzione è opposta. Il suo valore massimo è il prodotto tra il coefficiente di attrito statico e la forza normale. Quando la forza applicata supera questo valore, il corpo inizia a muoversi.

Pertanto, quando il corpo è già in movimento, la forza di attrito dinamico ha un valore costante equivalente al prodotto tra il coefficiente di attrito dinamico e la forza normale, qualunque sia il valore della forza applicata. Inoltre, questo valore è leggermente inferiore al valore massimo della forza di attrito statico.

Esercizi risolti sulla forza di attrito

Esercizio 1

Si intende spostare un blocco di massa m=12 kg su una superficie piana e questo inizia a muoversi proprio quando viene applicata una forza di 35 N. Qual è il coefficiente di attrito statico tra il terreno e il blocco? Dati: g=10 m/s ² .

risolto il problema del coefficiente di attrito statico

Vedi la soluzione

Per prima cosa rappresentiamo graficamente tutte le forze che agiscono sul blocco:

esercizio risolto sul coefficiente di attrito statico o coefficiente di attrito statico

Nella situazione limite di equilibrio, sono soddisfatte le seguenti due equazioni:

$N=P$

$F_R=F$

Pertanto la forza di attrito sarà equivalente alla forza orizzontale applicata al corpo:

$F_R=F=35 \ N$

D’altra parte, possiamo calcolare il valore della forza normale utilizzando la formula della forza peso:

$\begin{array}{l}N=P\\[3ex] N=m\cdot g\\[3ex] N=12\cdot 10 \\[3ex] N=120 \ N\end{array }$

Infine, una volta conosciuto il valore della forza di attrito e della forza normale, applichiamo la formula del coefficiente di attrito statico per determinarne il valore:

$\mu_e=\cfrac{F_R}{N}=\cfrac{35}{120}=0.29$

Esercizio 2

Posizioniamo un corpo di massa m=6 kg sulla sommità di un piano inclinato di 45º. Se il corpo scivola sul piano inclinato con un’accelerazione di 4 m/s ² , qual è il coefficiente di attrito dinamico tra la superficie del piano inclinato e quella del corpo? Dati: g=10 m/s ² .

problema del coefficiente di attrito o attrito dinamico

Vedi la soluzione

La prima cosa che dobbiamo fare per risolvere qualsiasi problema di fisica riguardante la dinamica è disegnare il diagramma di corpo libero. Quindi tutte le forze che agiscono nel sistema sono:

esercizio risolto del coefficiente di attrito o attrito dinamico

Nella direzione dell’asse 1 (parallelo al piano inclinato) il corpo ha un’accelerazione, invece, nella direzione dell’asse 2 (perpendicolare al piano inclinato) il corpo è fermo. Da queste informazioni proponiamo le equazioni delle forze del sistema:

$P_1-F_R=m\cdot a$

$P_2-N=0$

Quindi, possiamo calcolare la forza normale dalla seconda equazione:

$\begin{array}{l}N=P_2\\[3ex]N=m\cdot g\cdot \text{cos}(\alpha) \\[3ex] N=6 \cdot 10 \cdot \ text{cos}(45º)\\[3ex]N=42,43 \ N\end{array}$

Calcoliamo invece il valore della forza di attrito (o forza di attrito) dalla prima equazione presentata:

$\begin{array}{l}P_1-F_R=m\cdot a\\[3ex]F_R=P_1-m\cdot a\\[3ex]F_R=m\cdot g\cdot \text{sin} (\alpha)-m\cdot a\\[3ex]F_R=6\cdot 10\cdot \text{sin}(45º)-6\cdot 4\\[3ex]F_R=18.43 \ N\end{ array}$

E una volta conosciuto il valore della forza normale e della forza di attrito, possiamo determinare il coefficiente di attrito dinamico utilizzando la formula corrispondente:

$\mu_d=\cfrac{F_R}{N}=\cfrac{18.43}{43.43}=\bm{0.42}$

Esercizio 3

Una slitta di 70 kg scivola lungo un pendio di 30° con una velocità iniziale di 2 m/s. Se il coefficiente di attrito dinamico tra la slitta e la neve è 0,2, calcolare la velocità che la slitta acquisirà dopo aver percorso 20 metri. Dati: g=10 m/s ² .

Vedi la soluzione

Innanzitutto realizziamo il diagramma del corpo libero della slitta:

esercizio determinato di una forza di attrito su un piano inclinato

La slitta ha un’accelerazione nella direzione dell’asse 1 (parallelo al piano inclinato) ma rimane ferma nella direzione dell’asse 2 (perpendicolare al piano inclinato), quindi le equazioni della forza sono:

$P_1-F_R=m\cdot a$

$P_2-N=0$

Dalla seconda equazione possiamo calcolare la forza normale agente sulla slitta

$\begin{array}{l}N=P_2\\[3ex]N=m\cdot g\cdot \text{cos}(\alpha) \\[3ex] N=70 \cdot 10 \cdot \ text{cos}(30º)\\[3ex]N=606,22 \ N\end{array}$

Poiché ora conosciamo il valore della forza normale e il coefficiente di attrito dinamico, possiamo calcolare la forza di attrito applicando la formula corrispondente:

$F_R=\mu\cdot N=0,2 \cdot 606,22=121,24 \ N$

Quindi, per determinare la velocità finale, dobbiamo prima trovare l’accelerazione della slitta, e questa può essere calcolata dalla prima equazione della forza presentata:

$P_1-F_R=m\cdot a$

$a=\cfrac{P_1-F_R}{m}$

$a=\cfrac{m\cdot g\cdot \text{sin}(\alpha)-F_R}{m}$

$a=\cfrac{70\cdot 10\cdot \text{sin}(30º)-121.24}{70}$

$a=3,27 \ \cfrac{m}{s^2}$

Una volta conosciuta l’accelerazione della slitta, calcoliamo il tempo impiegato per percorrere i 20 metri con l’equazione del moto rettilineo ad accelerazione costante:

$x=v_0\cdot t +\cfrac{1}{2}\cdot a \cdot t^2$

$20=2\cdot t +\cfrac{1}{2}\cdot 3.27 \cdot t^2$

$0=1,64t^2+2t-20$

$\displaystyle t=\cfrac{-2\pm \sqrt{2^2-4\cdot 1.64\cdot (-20)}}{2\cdot 1.64}=\cfrac{-2\ pm 11.63}{ 3.28}=\begin{cases}2.94\\[2ex]-4.15 \ \color{red}\bm{\times}\end{cases}$

Logicamente escludiamo la soluzione negativa poiché il tempo è una grandezza fisica che non può essere negativa.

Infine, calcoliamo la velocità finale utilizzando la formula dell’accelerazione costante:

$a=\cfrac{v_f-v_0}{t_f-t_0}\quad \longrightarrow \quad v_f=a\cdot (t_f-t_0)+v_0$

$v_f=3,27\cdot (2,94-0)+2=11,61 \ \cfrac{m}{s}$

Cos’è la forza di attrito?

Caratteristiche della forza di attrito

Formula della forza di attrito

Forza di attrito statico e dinamico

Esercizi risolti sulla forza di attrito

Esercizio 1

Esercizio 2

Esercizio 3

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