Fricção

O atrito seco resiste ao movimento lateral relativo de duas superfícies sólidas em contato. Os dois regimes de atrito seco são “atrito estático” (“atrito”) entre superfícies imóveis e atrito cinético (às vezes chamado de atrito deslizante ou atrito dinâmico) entre superfícies móveis.

Atrito de Coulomb, em homenagem a Charles-Augustin de Coulomb, é um modelo aproximado usado para calcular a força de atrito seco. É governado pelo modelo:

F f ≤ μ F n, {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}},}

onde

O atrito de Coulomb F f {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} pode assumir qualquer valor de zero até μ F n {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,} , e a direção da força de atrito contra uma superfície é oposta ao movimento que a superfície experimentaria na ausência de atrito. Assim, no caso estático, a força de atrito é exatamente o que deve ser para impedir o movimento entre as superfícies; ele equilibra a força resultante que tende a causar tal movimento. Nesse caso, em vez de fornecer uma estimativa da força de atrito real, a aproximação de Coulomb fornece um valor limite para esta força, acima do qual o movimento começaria. Esta força máxima é conhecida como tração.

A força de atrito é sempre exercida em uma direção que se opõe ao movimento (para atrito cinético) ou movimento potencial (para atrito estático) entre as duas superfícies. Por exemplo, uma pedra curling deslizando ao longo do gelo sofre uma força cinética que a torna mais lenta. Para um exemplo de movimento potencial, as rodas motrizes de um carro em aceleração sofrem uma força de atrito apontando para frente; do contrário, as rodas girariam e a borracha deslizaria para trás ao longo do pavimento. Observe que não é a direção do movimento do veículo que eles se opõem, é a direção do (potencial) deslizamento entre o pneu e a estrada.

Força normal

O normal a força é definida como a força resultante que comprime duas superfícies paralelas e sua direção é perpendicular às superfícies. No caso simples de uma massa repousando sobre uma superfície horizontal, o único componente da força normal é a força da gravidade, onde N = m g {\ displaystyle N = mg \,}. Nesse caso, a magnitude da força de atrito é o produto da massa do objeto, a aceleração da gravidade e o coeficiente de atrito. No entanto, o coeficiente de atrito não é função da massa ou do volume; depende apenas do material. Por exemplo, um grande bloco de alumínio tem o mesmo coeficiente de fricção de um pequeno bloco de alumínio. No entanto, a magnitude da força de atrito em si depende da força normal e, portanto, da massa do bloco.

Se um objeto está em uma superfície nivelada e a força que tende a fazê-lo deslizar é horizontal , a força normal N {\ displaystyle N \,} entre o objeto e a superfície é apenas o seu peso, que é igual à sua massa multiplicada pela aceleração devido à gravidade da Terra, g. Se o objeto estiver em uma superfície inclinada como um plano inclinado, a força normal é menor, porque menos da força da gravidade é perpendicular à face do plano. Portanto, a força normal e, em última análise, a força de atrito, é determinada usando a análise vetorial, geralmente por meio de um diagrama do corpo. Dependendo da situação, o cálculo da força normal pode incluir outras forças além da gravidade.

Coeficiente de atrito

O O coeficiente de atrito (COF), frequentemente simbolizado pela letra grega µ, é um valor escalar adimensional que descreve a razão da força de atrito entre dois corpos e a força que os pressiona um contra o outro. O coeficiente de atrito depende dos materiais usados; por exemplo, o gelo no aço tem um baixo coeficiente de atrito, enquanto a borracha no pavimento tem um alto coeficiente de atrito. Os coeficientes de atrito variam de quase zero a mais de um. É um axioma da natureza do atrito entre as superfícies de metal que é maior entre duas superfícies de metais semelhantes do que entre duas superfícies de metais diferentes – portanto, o latão terá um coeficiente de atrito maior quando movido contra o latão, mas menos se movido contra aço ou alumínio.

Para superfícies em repouso em relação umas às outras μ = μ s {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, onde μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \,} é o coeficiente de atrito estático. Geralmente é maior do que sua contraparte cinética.O coeficiente de atrito estático exibido por um par de superfícies de contato depende dos efeitos combinados das características de deformação do material e da rugosidade da superfície, ambos os quais têm suas origens na ligação química entre os átomos em cada um dos materiais a granel e entre as superfícies do material e qualquer material adsorvido. A fractalidade das superfícies, um parâmetro que descreve o comportamento de escala das asperezas da superfície, é conhecido por desempenhar um papel importante na determinação da magnitude do atrito estático.

Arthur Morin introduziu o termo e demonstrou a utilidade do coeficiente de fricção. O coeficiente de atrito é uma medida empírica – deve ser medido experimentalmente e não pode ser encontrado por meio de cálculos. Superfícies mais ásperas tendem a ter valores eficazes mais altos. Os coeficientes de atrito estáticos e cinéticos dependem do par de superfícies em contato; para um determinado par de superfícies, o coeficiente de atrito estático é geralmente maior do que o de atrito cinético; em alguns conjuntos, os dois coeficientes são iguais, como teflon-sobre-teflon.

A maioria dos materiais secos em combinação tem valores de coeficiente de atrito entre 0,3 e 0,6. Valores fora desse intervalo são mais raros, mas teflon, por exemplo, pode ter um coeficiente tão baixo quanto 0,04. Um valor zero significaria nenhum atrito, uma propriedade indescritível. A borracha em contato com outras superfícies pode produzir coeficientes de atrito de 1 a 2. Ocasionalmente, afirma-se que µ é sempre < 1, mas isso não é verdade. Enquanto na maioria das aplicações relevantes µ < 1, um valor acima de 1 apenas implica que a força necessária para deslizar um objeto ao longo da superfície é maior do que a força normal da superfície no objeto. Por exemplo, as superfícies revestidas com borracha de silicone ou acrílico têm um coeficiente de fricção que pode ser substancialmente maior do que 1.

Embora seja frequentemente declarado que o COF é uma “propriedade do material”, é melhor categorizado como uma “propriedade do sistema”. Ao contrário das verdadeiras propriedades do material (como condutividade, constante dielétrica, resistência ao escoamento), o COF para quaisquer dois materiais depende de variáveis do sistema como temperatura, velocidade, atmosfera e também o que agora é popularmente descrito como tempos de envelhecimento e desgasificação; bem como nas propriedades geométricas da interface entre os materiais, nomeadamente a estrutura da superfície. Por exemplo, um pino de cobre deslizando contra uma placa de cobre espessa pode ter um COF que varia de 0,6 em baixas velocidades (metal deslizando contra metal) a menos de 0,2 em altas velocidades quando a superfície de cobre começa a derreter devido ao aquecimento por atrito. A última velocidade, é claro, não determina o COF exclusivamente; se o diâmetro do pino for aumentado de modo que o aquecimento por atrito seja removido rapidamente, a temperatura cai, o pino permanece sólido e o COF sobe para aquele de um teste de “baixa velocidade”.

Coeficientes de atrito aproximados

Sob certas condições, alguns materiais têm coeficientes de atrito muito baixos. Um exemplo é a grafite (pirolítica altamente ordenada), que pode ter um coeficiente de atrito abaixo de 0,01. Este regime de atrito ultrabaixo é chamado de superlubricidade.

Atrito estático

O atrito estático é o atrito entre dois ou mais objetos sólidos que não estão se movendo em relação a uns aos outros. Por exemplo, o atrito estático pode evitar que um objeto deslize para baixo em uma superfície inclinada. O coeficiente de atrito estático, normalmente denotado como μs, é geralmente maior do que o coeficiente de atrito cinético. O atrito estático é considerado o resultado de características de rugosidade da superfície em várias escalas de comprimento em superfícies sólidas. Essas características, conhecidas como asperezas, estão presentes em dimensões de escala nanométrica e resultam em contato verdadeiro de sólido para sólido, existindo apenas em um número limitado de pontos, representando apenas uma fração da área de contato aparente ou nominal. A linearidade entre a carga aplicada e a área de contato real, decorrente da deformação de aspereza, dá origem à linearidade entre a força de atrito estático e a força normal, encontrada para o atrito típico do tipo Amonton-Coulomb.

A força de atrito estático deve ser superado por uma força aplicada antes que um objeto possa se mover. A força de atrito máxima possível entre duas superfícies antes do início do deslizamento é o produto do coeficiente de atrito estático e a força normal: F max = μ s F n {\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. Quando não há deslizamento ocorrendo, a força de atrito pode ter qualquer valor de zero até F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,}.Qualquer força menor do que F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} tentando deslizar uma superfície sobre a outra é oposta por uma força de atrito de igual magnitude e direção oposta. Qualquer força maior que F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} supera a força de atrito estático e causa deslizamento. No instante em que ocorre o deslizamento, o atrito estático não é mais aplicável – o atrito entre as duas superfícies é então chamado de atrito cinético. No entanto, um atrito estático aparente pode ser observado mesmo no caso em que o atrito estático verdadeiro é zero.

Um exemplo de atrito estático é a força que impede a roda de um carro de escorregar ao rolar no solo. Mesmo que a roda esteja em movimento, o pedaço do pneu em contato com o solo é estacionário em relação ao solo, portanto, é estático ao invés de atrito cinético.

O valor máximo do atrito estático, quando o movimento é iminente, às vezes é chamado de atrito limitante, embora este termo não seja usado universalmente.

Atrito cinético

O atrito cinético, também conhecido como atrito dinâmico ou atrito deslizante, ocorre quando dois objetos se movem um em relação ao outro e se esfregam (como um trenó no chão). O coeficiente de atrito cinético é normalmente denotado como μk e geralmente é menor que o coeficiente de atrito estático para os mesmos materiais. No entanto, Richard Feynman comenta que “com metais secos é muito difícil mostrar qualquer diferença”. A força de atrito entre duas superfícies após o início do deslizamento é o produto do coeficiente de atrito cinético e a força normal: F k = μ k F n {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}.

Novos modelos estão começando a mostrar como o atrito cinético pode ser maior do que o atrito estático. O atrito cinético é agora entendido, em muitos casos, como sendo causado principalmente por ligações químicas entre as superfícies, ao invés de asperezas entrelaçadas; entretanto, em muitos outros casos, os efeitos da rugosidade são dominantes, por exemplo, no atrito da borracha com a estrada. A rugosidade da superfície e a área de contato afetam o atrito cinético para objetos em escala micro e nano onde as forças da área de superfície dominam as forças inerciais.

A origem do atrito cinético em nanoescala pode ser explicada pela termodinâmica. Ao deslizar, uma nova superfície se forma na parte de trás de um contato verdadeiro de deslizamento e a superfície existente desaparece na frente dele. Uma vez que todas as superfícies envolvem a energia termodinâmica da superfície, o trabalho deve ser gasto na criação da nova superfície, e a energia é liberada como calor na remoção da superfície. Assim, uma força é necessária para mover a parte de trás do contato e o calor de fricção é liberado na frente.

Ângulo de atrito

Para certas aplicações, é mais útil definir o atrito estático em termos do ângulo máximo antes do qual um dos itens começará a deslizar. Isso é chamado de ângulo de atrito ou ângulo de atrito. É definido como:

tan ⁡ θ = μ s {\ displaystyle \ tan {\ theta} = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}

onde θ é o ângulo da horizontal e µs é o coeficiente estático de atrito entre os objetos. Esta fórmula também pode ser usada para calcular µs a partir de medidas empíricas do ângulo de atrito.

Atrito no nível atômico

Determinar as forças necessárias para mover os átomos um após o outro é um desafio em projetando nanomáquinas. Em 2008, os cientistas, pela primeira vez, conseguiram mover um único átomo por uma superfície e medir as forças necessárias. Usando ultra-alto vácuo e temperatura quase zero (5º K), um microscópio de força atômica modificado foi usado para arrastar um átomo de cobalto e uma molécula de monóxido de carbono através de superfícies de cobre e platina.

Limitações do modelo de Coulomb

A aproximação de Coulomb segue das suposições de que: as superfícies estão em contato atomicamente próximo apenas sobre uma pequena fração de sua área total; que essa área de contato é proporcional à força normal (até a saturação, que ocorre quando toda a área está em contato atômico); e que a força de atrito é proporcional à força normal aplicada, independentemente da área de contato. A aproximação de Coulomb é fundamentalmente uma construção empírica. É uma regra prática que descreve o resultado aproximado de uma interação física extremamente complicada. A força da aproximação é sua simplicidade e versatilidade. Embora a relação entre a força normal e a força de atrito não seja exatamente linear (e, portanto, a força de atrito não é totalmente independente da área de contato das superfícies), a aproximação de Coulomb é uma representação adequada de atrito para a análise de muitos sistemas físicos.

Quando as superfícies são unidas, o atrito de Coulomb se torna uma aproximação muito pobre (por exemplo, a fita adesiva resiste ao deslizamento mesmo quando não há força normal ou uma força normal negativa). Nesse caso, a força de atrito pode depender fortemente da área de contato. Alguns pneus de corrida são adesivos por esse motivo. No entanto, apesar da complexidade da física fundamental por trás do atrito, os relacionamentos são precisos o suficiente para serem úteis em muitas aplicações.

Coeficiente de atrito “negativo”

Em 2012, um único O estudo demonstrou o potencial para um coeficiente de atrito efetivamente negativo no regime de baixa carga, o que significa que uma diminuição na força normal leva a um aumento no atrito. Isso contradiz a experiência cotidiana, em que um aumento na força normal leva a um aumento no atrito. Isso foi relatado na revista Nature em outubro de 2012 e envolveu o atrito encontrado por um estilete de microscópio de força atômica quando arrastado por uma folha de grafeno na presença de oxigênio adsorvido por grafeno.

Simulação numérica do modelo de Coulomb

Apesar de ser um modelo simplificado de atrito, o modelo de Coulomb é útil em muitas aplicações de simulação numérica, como sistemas multicorpos e materiais granulares. Mesmo sua expressão mais simples encapsula os efeitos fundamentais de aderência e deslizamento que são necessários em muitos casos aplicados, embora algoritmos específicos devam ser projetados para integrar numericamente sistemas mecânicos com fricção de Coulomb e contato bilateral ou unilateral. Alguns efeitos bastante não lineares, como os chamados paradoxos de Painlevé, podem ser encontrados com o atrito de Coulomb.

Atrito seco e instabilidades

O atrito seco pode induzir vários tipos de instabilidades em sistemas mecânicos que apresentam um comportamento estável na ausência de atrito. Essas instabilidades podem ser causadas pela diminuição da força de atrito com o aumento da velocidade de deslizamento, pela expansão do material devido à geração de calor durante o atrito (as instabilidades termoelásticas) ou por efeitos puramente dinâmicos de deslizamento de dois materiais elásticos (o Adams -Instabilidades de Martin). Estas últimas foram originalmente descobertas em 1995 por George G. Adams e João Arménio Correia Martins para superfícies lisas e foram posteriormente encontradas em superfícies rugosas periódicas. Em particular, as instabilidades dinâmicas relacionadas ao atrito são consideradas responsáveis pelo guincho do freio e pela “canção” de uma harpa de vidro, fenômenos que envolvem deslizar e deslizar, modelados como uma queda do coeficiente de atrito com a velocidade.

Um caso praticamente importante é a auto-oscilação das cordas de instrumentos de arco, como violino, violoncelo, hurdy-gurdy, erhu, etc.

Uma conexão entre atrito seco e instabilidade de vibração em um sistema mecânico simples foi descoberto, assista ao filme para mais detalhes.

As instabilidades de fricção podem levar à formação de novos padrões auto-organizados (ou “estruturas secundárias”) na interface deslizante, como tribofilmes formados in-situ que são utilizados para a redução de atrito e desgaste nos chamados materiais autolubrificantes.