Atrito
O atrito é a força que resiste ao movimento relativo de superfícies sólidas, camadas de fluido e elementos materiais que deslizam uns contra os outros. Existem vários tipos de atrito:O atrito seco é uma força que se opõe ao movimento lateral relativo de duas superfícies sólidas em contato. O atrito seco é subdividido em atrito estático entre superfícies imóveis, e atrito cinético entre superfícies móveis. Com exceção do atrito atômico ou molecular, o atrito seco geralmente surge da interação de características de superfície, conhecidas como asperezas. O atrito de fluido descreve o atrito entre as camadas de um fluido viscoso que se movem umas em relação às outras. O atrito lubrificado é um caso de atrito de fluido em que um fluido lubrificante separa duas superfícies sólidas. A fricção da pele é um componente do arrasto, a força que resiste ao movimento de um fluido pela superfície de um corpo.
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Os gregos, incluindo Aristóteles , Vitrúvio e Plínio, o Velho , estavam interessados na causa e na mitigação do atrito. Eles estavam cientes das diferenças entre o atrito estático e cinético com Themistius afirmando em 350 DC que "é mais fácil promover o movimento de um corpo em movimento do que mover um corpo em repouso". As leis clássicas do atrito deslizante foram descobertas por Leonardo da Vinci em 1493, um pioneiro da tribologia , mas as leis documentadas em seus cadernos não foram publicadas e permaneceram desconhecidas. Essas leis foram redescobertas por Guillaume Amontons em 1699 e ficaram conhecidas como as três leis do atrito seco de Amonton. Amontons apresentou a natureza do atrito em termos de irregularidades superficiais e a força necessária para elevar o peso pressionando as superfícies uma contra a outra. Esta visão foi posteriormente elaborada por Bernard Forest de Bélidor e Leonhard Euler (1750), que derivou o ângulo de repouso de um peso em um plano inclinado e fez a distinção entre o atrito estático e cinético. John Theophilus Desaguliers (1734) reconheceu pela primeira vez o papel da adesão na fricção. Forças microscópicas fazem com que as superfícies se colem; ele propôs que o atrito era a força necessária para separar as superfícies aderentes.
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O coeficiente de atrito, geralmente representado pela letra μ, é uma grandeza adimensional (não apresenta unidade de medida) que relaciona a força de atrito e a força de compressão entre dois corpos. Esse coeficiente depende dos materiais envolvidos; Por exemplo, o coeficiente de atrito entre asfalto e borracha é alto enquanto o coeficiente entre gelo e aço é baixo. O coeficiente de atrito entre duas superfícies é uma grandeza empírica, ou seja, ela é determinada a partir de dados experimentais, e por isso representa uma predição aproximada da relação entre a força de atrito e a força de compressão. Pode ser diferenciado em coeficiente de atrito dinâmico ou de atrito estático de acordo com a situação na qual se determina tais coeficientes: Comparando-se os módulos dos dois coeficientes, no contato entre superfícies sólidas o coeficiente de atrito cinético será sempre menor (mas não necessariamente muito menor) que o coeficiente de atrito estático:
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Chama-se de força de atrito dinâmico a força que surge entre as superfícies que apresentam movimento relativo de deslizamento entre si. A força de atrito dinâmico se opõe sempre a este deslizamento, e atua nos corpos de forma a sempre contrariá-lo (tentar impedi-lo), mas nem sempre mostra-se oposta ao movimento observado do corpo. Considere um menino que puxa um pequeno caminhão, que tem sobre sua caçamba um pequeno cubo de madeira. A força responsável por colocar o cubo em movimento quando o menino puxa bruscamente o caminhão, fazendo o cubo escorregar pela caçamba, é a força de atrito, que neste caso atua na direção do movimento do cubo - quando observado pela mãe do menino, suposta estática ao chamá-lo. Exemplo clássico também se encontra quando tem-se um carro se movendo em uma estrada e o motorista freia bruscamente, de modo que as rodas sejam travadas. O carro irá parar por causa da força de atrito que surge sobre os pneus graças ao contato do pneus com o solo, e conforme esperado atua de forma a contrariar o deslizamento dos pneus sobre a pista e de forma a contrariar o movimento do carro em relação ao solo. Repare que a reação a esta força, a força de atrito sobre o solo, tende a empurrar o solo para frente.
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Chama-se de força de atrito estático a força que se opõe ao início do movimento entre as superfícies, ou ao atrito de rolamento de uma superfície sobre outra. Por exemplo, pode-se citar o atrito entre o pneu de um carro quando este não está escorregando sobre a superfície (o que não implica que o pneu não possa estar rolando). Chama-se força de atrito estático máxima à máxima força de atrito estático que pode existir entre duas superfícies sem que estas entretanto deslizem uma sobre a outra. Quando se tenta empurrar uma caixa em repouso em relação ao solo, nota-se que se pode gradualmente ir aumentando a força sobre a caixa sem que esta entretanto se mova. A força que se opõe à força aplicada sobre a caixa, e que a esta se soma para dar uma resultante nula de forças, o que é necessário para manter a caixa em repouso, é justamente a força de atrito estático que atua na caixa. A força de atrito estático é em módulo igual ao da componente paralela à superfície da força aplicada pelo homem, até que o bloco se mova.
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Para obter o ângulo máximo de atrito estático entre materiais granulares, consulte Ângulo de repouso 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: onde θ é o ângulo da horizontal e µ s é o coeficiente estático de atrito entre os objetos. Esta fórmula também pode ser usada para calcular µ s a partir de medições empíricas do ângulo de atrito.
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Determinar as forças necessárias para mover os átomos uns sobre os outros é um desafio no projeto de nanomáquinas . Em 2008, os cientistas, pela primeira vez, foram capazes de mover um único átomo em 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
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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 esta 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 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.
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Em 2012 , um único estudo demonstrou o potencial para um coeficiente de fricção 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 a fricção encontrada por uma caneta de microscópio de força atômica quando arrastada por uma folha de grafeno na presença de oxigênio adsorvido por grafeno.
É preciso uma energia muito elevada para conseguir remover um próton, ou nêutron, do núcleo. Isso só acontece no interior das estrelas, na camada mais externa da atmosfera, onde chocam partículas cósmicas com muita energia, ou nos aceleradores de partículas, onde os físicos conseguem reproduzir as energias do interior de uma estrela. No entanto, é mais fácil extrair eletrões de um átomo, ficando um ion positivo, com excesso de protões, ou transferir mais eletrões para um átomo neutro, ficando um ion negativo, com excesso de eletrões De facto, sempre que dois objetos diferentes entram em contato muito próximo, passam eletrões dos átomos de um dos objetos para o outro. O objeto que for mais susceptível a perder eletrões ficará eletrizado com carga positiva (n protões a mais) e o objeto que for menos susceptível a perder os seus eletrões ficará com a mesma carga, mas negativa (n eletrões a mais).
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Em alguns casos, como exercícios de vestibulares, é necessário calcular a força de atrito em situações especiais. Observe a seguir alguns exemplos:
Rolha em garrafa
Nesse exemplo, para acharmos a força que o atrito exerce na rolha sobre a boca da garrafa de vidro quando se tenta praticar a soltura da rolha de cortiça, precisamos antes achar a área de contato entre a rolha e o bocal. Após obtermos esse dado por contas matemáticas (superfície interna de um cilindro), é preciso achar também a pressão exercida pela rolha no bocal. A pressão da rolha atuando sobre a área de contato irá fornecer a Força Normal entre a rolha e o gargalo de vidro, e, conhecendo-se esta força normal e também os coeficientes de atrito, basta utilizar a fórmula para obter a Força de Atrito e, consequentemente, a força que se deve aplicar para se abrir tal garrafa.
Atrito no plano inclinado
Quando um corpo está sobre um plano inclinado e sob ação exclusiva da gravidade, a intensidade da Força Normal que se utiliza para calcular a Força de Atrito corresponde à componente perpendicular ao plano de contato, que pode ser calculada segundo a expressão: onde θ {\displaystyle \theta } é o ângulo de inclinação em relação à horizontal. Vale ressaltar que quando se trata de um plano inclinado, o ângulo formado pelo plano inclinado e a horizontal corresponde ao ângulo formado pelo peso do corpo sobre o plano e a sua componente perpendicular ao plano inclinado, rotineiramente chamada de Py. Nesse circunstância, a força de atrito que atuará sobre o corpo irá se opor ao deslizamento ao longo da superfície do plano, e portanto estará orientada paralelamente ao plano, para cima.
Velocidade máxima na curva
Para um carro em movimento circular uniforme a direção do atrito é sempre perpendicular à reta tangente à circunferência no ponto em que o carro se encontra, e o sentido aponta para o centro. A força de atrito é em verdade a força centrípeta necessária ao movimento, e para calcular a velocidade máxima com a qual o carro conseguirá fazer a curva usa-se a seguinte fórmula, obtida mediante a igualdade entre a expressão para o cálculo da força de atrito estático máxima e a força centrípeta necessária para a manutenção do movimento circular uniforme: em que termo ac.max é a aceleração centrípeta máxima aplicável ao carro pelo solo, e M a massa do carro, e vmax a máxima velocidade com a qual o carro fará a curva de raio r.
