Lattrito a secco resiste al movimento laterale relativo di due superfici solide a contatto. I due regimi di attrito a secco sono “attrito statico” (“attrito”) tra superfici non in movimento e attrito cinetico (a volte chiamato attrito scorrevole o attrito dinamico) tra superfici in movimento.
Attrito di Coulomb, dal nome Charles-Augustin de Coulomb, è un modello approssimativo utilizzato per calcolare la forza di attrito a secco. È governato dal modello:
F f ≤ μ F n, {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}},}
dove
Lattrito di Coulomb F f {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} può assumere qualsiasi valore da zero fino a μ F n {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,} e la direzione della forza di attrito contro una superficie è opposta al movimento che la superficie subirebbe in assenza di attrito. Quindi, nel caso statico, la forza di attrito è esattamente quella che deve essere per impedire il movimento tra le superfici; bilancia la forza netta che tende a provocare tale movimento. In questo caso, invece di fornire una stima della forza di attrito effettiva, lapprossimazione di Coulomb fornisce un valore di soglia per questa forza, al di sopra del quale inizierebbe il movimento. Questa forza massima è nota come trazione.
La forza di attrito viene sempre esercitata in una direzione che si oppone al movimento (per attrito cinetico) o al movimento potenziale (per attrito statico) tra le due superfici. Ad esempio, una pietra curling che scivola sul ghiaccio subisce una forza cinetica che lo rallenta. Per un esempio di movimento potenziale, le ruote motrici di unauto in accelerazione subiscono una forza di attrito che punta in avanti; se non lo facessero, le ruote girerebbero e la gomma scivolerebbe allindietro lungo il marciapiede. Nota che non è la direzione di movimento del veicolo a cui si oppongono, è la direzione di (potenziale) scorrimento tra pneumatico e strada.
Forza normale
Diagramma a corpo libero per un blocco su una rampa. Le frecce sono vettori che indicano le direzioni e lentità delle forze. N è la forza normale, mg è la forza di gravità e Ff è la forza di attrito.
La forza normale la forza è definita come la forza netta che comprime insieme due superfici parallele e la sua direzione è perpendicolare alle superfici. Nel caso semplice di una massa appoggiata su una superficie orizzontale, lunica componente della forza normale è la forza dovuta alla gravità, dove N = m g {\ displaystyle N = mg \,}. In questo caso, lentità della forza di attrito è il prodotto della massa delloggetto, laccelerazione dovuta alla gravità e il coefficiente di attrito. Tuttavia, il coefficiente di attrito non è una funzione della massa o del volume; dipende solo dal materiale. Ad esempio, un grande blocco di alluminio ha lo stesso coefficiente di attrito di un piccolo blocco di alluminio. Tuttavia, lentità della forza di attrito stessa dipende dalla forza normale e quindi dalla massa del blocco.
Se un oggetto si trova su una superficie piana e la forza che tende a farlo scivolare è orizzontale , la forza normale N {\ displaystyle N \,} tra loggetto e la superficie è solo il suo peso, che è uguale alla sua massa moltiplicata per laccelerazione dovuta alla gravità terrestre, g. Se loggetto si trova su una superficie inclinata come un piano inclinato, la forza normale è inferiore, perché meno della forza di gravità è perpendicolare alla faccia del piano. Pertanto, la forza normale, e in definitiva la forza di attrito, viene determinata utilizzando lanalisi vettoriale, di solito tramite un libero diagramma del corpo. A seconda della situazione, il calcolo della forza normale può includere forze diverse dalla gravità.
Coefficiente di attrito
Il il coefficiente di attrito (COF), spesso simboleggiato dalla lettera greca µ, è un valore scalare adimensionale che descrive il rapporto tra la forza di attrito tra due corpi e la forza che li preme insieme. Il coefficiente di attrito dipende dai materiali utilizzati; ad esempio, il ghiaccio sullacciaio ha un basso coefficiente di attrito, mentre la gomma sulla pavimentazione ha un alto coefficiente di attrito. I coefficienti di attrito vanno da quasi zero a maggiori di uno. È un assioma della natura dellattrito tra superfici metalliche che sia maggiore tra due superfici di metalli simili che tra due superfici di metalli diversi – quindi, lottone avrà un coefficiente di attrito più elevato quando viene spostato contro lottone, ma minore se spostato contro acciaio o alluminio.
Per superfici a riposo luna rispetto allaltra μ = μ s {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, dove μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \,} è il coefficiente di attrito statico. Questo di solito è più grande della sua controparte cinetica.Il coefficiente di attrito statico esibito da una coppia di superfici di contatto dipende dagli effetti combinati delle caratteristiche di deformazione del materiale e della rugosità superficiale, entrambi i quali hanno origine nel legame chimico tra gli atomi in ciascuno dei materiali sfusi e tra le superfici del materiale e qualsiasi materiale adsorbito. È noto che la frattalità delle superfici, un parametro che descrive il comportamento in scala delle asperità superficiali, gioca un ruolo importante nel determinare lentità dellattrito statico.
Arthur Morin ha introdotto il termine e ha dimostrato lutilità del coefficiente di attrito. Il coefficiente di attrito è una misura empirica: deve essere misurato sperimentalmente e non può essere trovato tramite calcoli. Le superfici più ruvide tendono ad avere valori effettivi più elevati. Sia i coefficienti di attrito statico che cinetico dipendono dalla coppia di superfici a contatto; per una data coppia di superfici, il coefficiente di attrito statico è solitamente maggiore di quello di attrito cinetico; in alcuni gruppi i due coefficienti sono uguali, come teflon su teflon.
La maggior parte dei materiali secchi in combinazione ha valori di coefficiente di attrito compresi tra 0,3 e 0,6. I valori al di fuori di questo intervallo sono più rari, ma il teflon, ad esempio, può avere un coefficiente fino a 0,04. Un valore di zero significherebbe nessun attrito, una proprietà sfuggente. La gomma a contatto con altre superfici può produrre coefficienti di attrito da 1 a 2. Occasionalmente si sostiene che µ sia sempre < 1, ma questo non è vero. Mentre nelle applicazioni più rilevanti µ < 1, un valore superiore a 1 implica semplicemente che la forza richiesta per far scorrere un oggetto lungo la superficie è maggiore della forza normale della superficie sulloggetto. Ad esempio, le superfici rivestite di gomma siliconica o acrilica hanno un coefficiente di attrito che può essere sostanzialmente maggiore di 1.
Anche se spesso si afferma che il COF è una “proprietà del materiale”, è meglio classificato come “proprietà di sistema”. A differenza delle proprietà reali del materiale (come conduttività, costante dielettrica, carico di snervamento), il COF per due materiali qualsiasi dipende da variabili di sistema come temperatura, velocità, atmosfera e anche da quelli che ora sono comunemente descritti come tempi di invecchiamento e assordamento; nonché sulle proprietà geometriche dellinterfaccia tra i materiali, vale a dire la struttura della superficie. Ad esempio, un perno di rame che scorre contro una piastra di rame spessa può avere un COF che varia da 0,6 a basse velocità (metallo che scorre contro metallo) a meno di 0,2 a velocità elevate quando la superficie in rame inizia a fondere a causa del riscaldamento per attrito. Questultima velocità, ovviamente, non determina il COF in modo univoco; se il diametro del perno viene aumentato in modo che il riscaldamento per attrito venga rimosso rapidamente, la temperatura scende, il perno rimane solido e il COF sale a quello di un test di “bassa velocità”.
Coefficienti di attrito approssimativi
In determinate condizioni alcuni materiali hanno coefficienti di attrito molto bassi. Un esempio è la grafite (pirolitica altamente ordinata) che può avere un coefficiente di attrito inferiore a 0,01. Questo regime di attrito ultra basso è chiamato superlubricità.
Attrito statico
Quando la massa non si muove, loggetto subisce attrito statico. Lattrito aumenta allaumentare della forza applicata fino a quando il blocco si muove. Dopo che il blocco si è spostato, sperimenta lattrito cinetico, che è inferiore allattrito statico massimo.
Lattrito statico è lattrito tra due o più oggetti solidi che non si muovono rispetto a lun laltro. Ad esempio, lattrito statico può impedire a un oggetto di scivolare su una superficie inclinata. Il coefficiente di attrito statico, tipicamente indicato come μs, è solitamente superiore al coefficiente di attrito cinetico. Si ritiene che lattrito statico sorga come il risultato delle caratteristiche di rugosità superficiale su più scale di lunghezza su superfici solide. Queste caratteristiche, note come asperità, sono presenti fino alle dimensioni su nanoscala e si traducono in un vero contatto da solido a solido esistente solo in un numero limitato di punti che rappresentano solo una frazione dellarea di contatto apparente o nominale. La linearità tra il carico applicato e larea di contatto reale, derivante dalla deformazione dellasperità, dà origine alla linearità tra la forza di attrito statica e la forza normale, riscontrata per lattrito di tipo Amonton-Coulomb.
La forza di attrito statico deve essere superato da una forza applicata prima che un oggetto possa muoversi. La massima forza di attrito possibile tra due superfici prima dellinizio dello scorrimento è il prodotto del coefficiente di attrito statico e della forza normale: F max = μ s F n {\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. Quando non si verificano scivolamenti, la forza di attrito può assumere qualsiasi valore da zero fino a F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,}.Qualsiasi forza inferiore a F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} che tenti di far scorrere una superficie sullaltra è opposta da una forza di attrito di uguale grandezza e direzione opposta. Qualsiasi forza maggiore di F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} supera la forza dellattrito statico e provoca lo scorrimento. Nellistante in cui si verifica lo scorrimento, lattrito statico non è più applicabile: lattrito tra le due superfici viene quindi chiamato attrito cinetico. Tuttavia, si può osservare un apparente attrito statico anche nel caso in cui il vero attrito statico sia zero.
Un esempio di attrito statico è la forza che impedisce alla ruota di unauto di scivolare mentre rotola sul terreno. Anche se la ruota è in movimento, il pezzo del pneumatico a contatto con il suolo è fermo rispetto al suolo, quindi è statico piuttosto che attrito cinetico.
Il valore massimo dellattrito statico, quando il movimento è imminente, viene talvolta definito attrito limitante, sebbene questo termine non sia usato universalmente.
Attrito cinetico
Lattrito cinetico, noto anche come attrito dinamico o attrito scorrevole, si verifica quando due oggetti si muovono luno rispetto allaltro e sfregano insieme (come una slitta sul terreno). Il coefficiente di attrito cinetico è tipicamente indicato come μk ed è solitamente inferiore al coefficiente di attrito statico per gli stessi materiali. Tuttavia, Richard Feynman commenta che “con i metalli secchi è molto difficile mostrare qualsiasi differenza”. La forza di attrito tra due superfici dopo linizio dello scorrimento è il prodotto del coefficiente di attrito cinetico e della forza normale: F k = μ k F n {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}.
Nuovi modelli stanno iniziando a mostrare come lattrito cinetico può essere maggiore dellattrito statico. Si ritiene che lattrito cinetico, in molti casi, sia principalmente causato dal legame chimico tra le superfici, piuttosto che dalle asperità interconnesse; tuttavia, in molti altri casi gli effetti di rugosità sono dominanti, ad esempio nellattrito tra gomma e strada. La rugosità della superficie e larea di contatto influiscono sullattrito cinetico per oggetti su scala micro e nanometrica in cui le forze dellarea superficiale dominano le forze inerziali.
Lorigine dellattrito cinetico su scala nanometrica può essere spiegata dalla termodinamica. Dopo lo scorrimento, una nuova superficie si forma sul retro di un vero contatto scorrevole e la superficie esistente scompare nella parte anteriore di esso. Poiché tutte le superfici coinvolgono lenergia superficiale termodinamica, è necessario dedicare del lavoro alla creazione della nuova superficie e lenergia viene rilasciata come calore durante la rimozione della superficie. Pertanto, è necessaria una forza per spostare la parte posteriore del contatto e il calore di attrito viene rilasciato nella parte anteriore.
Angolo di attrito, θ, quando il blocco inizia a scorrere.
Angolo di attrito
Per alcune applicazioni, è più utile definire lattrito statico in termini di angolo massimo prima del quale uno degli elementi inizierà a scorrere. Questo è chiamato angolo di attrito o angolo di attrito. È definito come:
tan θ = μ s {\ displaystyle \ tan {\ theta} = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}
dove θ è langolo rispetto allorizzontale e µs è il coefficiente di attrito statico tra gli oggetti. Questa formula può essere utilizzata anche per calcolare µs da misurazioni empiriche dellangolo di attrito.
Attrito a livello atomico
Determinare le forze richieste per spostare gli atomi luno accanto allaltro è una sfida in progettare nanomacchine. Nel 2008 gli scienziati per la prima volta sono stati in grado di spostare un singolo atomo su una superficie e misurare le forze richieste. Utilizzando un vuoto ultraelevato e una temperatura quasi zero (5 ° K), è stato utilizzato un microscopio a forza atomica modificato per trascinare un atomo di cobalto e una molecola di monossido di carbonio attraverso le superfici di rame e platino.
Limitazioni del modello di Coulomb
Lapprossimazione di Coulomb deriva dal presupposto che: le superfici sono in stretto contatto atomicamente solo su una piccola frazione della loro area complessiva; che questarea di contatto è proporzionale alla forza normale (fino alla saturazione, che avviene quando tutta larea è in contatto atomico); e che la forza di attrito è proporzionale alla forza normale applicata, indipendentemente dallarea di contatto. Lapprossimazione di Coulomb è fondamentalmente un costrutto empirico. È una regola pratica che descrive il risultato approssimativo di uninterazione fisica estremamente complicata. Il punto di forza dellapprossimazione è la sua semplicità e versatilità. Sebbene la relazione tra forza normale e forza di attrito non sia esattamente lineare (e quindi la forza di attrito non è del tutto indipendente dallarea di contatto delle superfici), lapprossimazione di Coulomb è una rappresentazione adeguata dellattrito per lanalisi di molti sistemi fisici.
Quando le superfici sono congiunte, lattrito di Coulomb diventa unapprossimazione molto scarsa (ad esempio, il nastro adesivo resiste allo scivolamento anche in assenza di forza normale o una forza normale negativa). In questo caso, la forza di attrito può dipendere fortemente dallarea di contatto. Alcuni pneumatici drag racing sono adesivi per questo motivo. Tuttavia, nonostante la complessità della fisica fondamentale alla base dellattrito, le relazioni sono sufficientemente accurate da essere utili in molte applicazioni.
Coefficiente di attrito “negativo”
A partire dal 2012, un singolo lo studio ha dimostrato il potenziale per un coefficiente di attrito effettivamente negativo nel regime di basso carico, il che significa che una diminuzione della forza normale porta ad un aumento dellattrito. Ciò contraddice lesperienza quotidiana in cui un aumento della forza normale porta ad un aumento dellattrito. Ciò è stato riportato sulla rivista Nature nellottobre 2012 e ha coinvolto lattrito incontrato da uno stilo del microscopio a forza atomica quando viene trascinato su un foglio di grafene in presenza di ossigeno adsorbito dal grafene.
Simulazione numerica del modello di Coulomb
Nonostante sia un modello di attrito semplificato, il modello di Coulomb è utile in molte applicazioni di simulazione numerica come i sistemi multicorpo e il materiale granulare. Anche la sua espressione più semplice racchiude gli effetti fondamentali di incollaggio e scorrimento che sono richiesti in molti casi applicati, sebbene debbano essere progettati algoritmi specifici per integrare numericamente in modo efficiente sistemi meccanici con attrito di Coulomb e contatto bilaterale o unilaterale. Alcuni effetti abbastanza non lineari, come i cosiddetti paradossi di Painlevé, possono essere riscontrati con lattrito di Coulomb.
Attrito a secco e instabilità
Lattrito a secco può indurre diversi tipi di instabilità nei sistemi meccanici che mostrano un comportamento stabile in assenza di attrito. Queste instabilità possono essere causate dalla diminuzione della forza di attrito con laumentare della velocità di scorrimento, dallespansione del materiale dovuta alla generazione di calore durante lattrito (le instabilità termoelastiche), o da puri effetti dinamici dello scorrimento di due materiali elastici (Adams -Martins instabilità). Questi ultimi furono originariamente scoperti nel 1995 da George G. Adams e João Arménio Correia Martins per le superfici lisce e furono successivamente trovati in superfici ruvide periodiche. In particolare, si ritiene che le instabilità dinamiche legate allattrito siano responsabili dello stridio dei freni e del “canto” di unarpa di vetro, fenomeni che coinvolgono stick and slip, modellati come una goccia del coefficiente di attrito con la velocità.
Un caso praticamente importante è lautooscillazione delle corde di strumenti ad arco come violino, violoncello, ghironda, erhu, ecc.
Una connessione tra attrito secco e instabilità del flutter in un semplice sistema meccanico è stato scoperto, guarda il film per maggiori dettagli.
Le instabilità dovute allattrito possono portare alla formazione di nuovi modelli auto-organizzati (o “strutture secondarie”) allinterfaccia scorrevole, come tribofilm formati in situ che vengono utilizzati per la riduzione dellattrito e dellusura nei cosiddetti materiali autolubrificanti.