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La forza di attrito

La forza che nasce fra due superfici a contatto: quella che ferma i corpi e, allo stesso tempo, quella che ci permette di camminare.

Al termine di questa lezione saprai

1. Perché i corpi si fermano

Nella lezione precedente abbiamo detto che un corpo lasciato a sé stesso dovrebbe proseguire indefinitamente. Nella realtà non succede mai: il libro spinto sul tavolo si ferma, la palla che rotola sul prato rallenta, la bicicletta in folle perde velocità. Deve esserci una forza che li frena, e c'è: si chiama forza di attrito.

L'attrito nasce ogni volta che due superfici sono a contatto e una scivola, o tende a scivolare, sull'altra. La sua caratteristica fondamentale è la direzione: l'attrito è sempre parallelo alle superfici di contatto e opposto al movimento, o al movimento che sta per iniziare. Non sceglie mai un verso proprio: si limita a contrastare quello che sta accadendo.

2. L'origine microscopica

Un tavolo appena lucidato sembra perfettamente liscio al tatto, ma non lo è. Ingrandendo moltissimo, qualunque superficie appare come un paesaggio di creste e avvallamenti. Quando due superfici si appoggiano una sull'altra, le creste dell'una si incastrano negli avvallamenti dell'altra, e nei punti di contatto reale i materiali arrivano ad aderire fra loro.

corpo che scivola superficie di appoggio moto attrito: sempre opposto al moto

Nessuna superficie è liscia: le asperità si incastrano e ostacolano lo scivolamento.

Per far scivolare un corpo bisogna quindi rompere continuamente questi micro-agganci, e questo costa forza. Ecco perché l'attrito dipende dai materiali a contatto: gomma su asfalto si aggancia moltissimo, ghiaccio su ghiaccio quasi per niente.

3. L'attrito statico: una forza che si adatta

Prova a spingere piano un armadio. Spingi con 50 N: non si muove. Spingi con 150 N: non si muove ancora. Spingi con 300 N: finalmente parte. Nei primi due casi l'armadio era in equilibrio, quindi l'attrito valeva esattamente quanto la tua spinta, prima 50 N e poi 150 N.

È la caratteristica che rende l'attrito statico diverso da tutte le altre forze che hai incontrato: non ha un valore fisso, si adatta alla spinta che deve contrastare. Ma non all'infinito: esiste un valore massimo oltre il quale non riesce più a tenere, e il corpo parte.

Fa,statico ≤ μs · N Il segno «minore o uguale» è essenziale: μs · N è il valore massimo, non il valore effettivo.

In quella formula N è la forza premente, cioè la forza con cui il corpo preme perpendicolarmente sulla superficie. Su un piano orizzontale, come vedrai nella prossima lezione, N coincide con il peso del corpo. Il numero μs (si legge «mi») è il coefficiente di attrito statico e dipende solo dalla coppia di materiali a contatto.

4. L'attrito dinamico

Una volta che il corpo si è messo in movimento, l'attrito cambia carattere: smette di adattarsi e assume un valore ben definito, in genere minore del massimo valore statico. È il motivo per cui l'armadio, appena parte, sembra improvvisamente più facile da spingere: hai rotto i micro-agganci e ora non fanno più in tempo a riformarsi.

Fa,dinamico = μd · N Qui vale il segno di uguale: durante lo scivolamento l'attrito ha un valore determinato.
Materiali a contatto μs (statico) μd (dinamico)
Gomma su asfalto asciuttocirca 1,0circa 0,8
Gomma su asfalto bagnatocirca 0,7circa 0,5
Acciaio su acciaiocirca 0,74circa 0,57
Legno su legnocirca 0,4circa 0,2
Acciaio su ghiacciocirca 0,03circa 0,02

Guarda la colonna dei valori: il coefficiente è un numero puro, senza unità di misura, perché nasce dal rapporto fra due forze. E in ogni riga μd è minore di μs: serve più forza per far partire un corpo che per mantenerlo in movimento.

Esempio numerico

Una cassa di legno di 20 kg è appoggiata su un pavimento di legno. Il suo peso, e quindi la forza premente, vale N = 20 · 9,8 ≈ 196 N. Per farla partire serve una spinta maggiore di μs · N = 0,4 · 196 ≈ 78 N. Una volta in movimento, per mantenerla a velocità costante bastano μd · N = 0,2 · 196 ≈ 39 N: metà della forza iniziale.

5. Da che cosa dipende e da che cosa no

Le due formule dicono che l'attrito dipende da due sole cose: i materiali a contatto, attraverso μ, e la forza premente N. Quello che sorprende è ciò che non compare nelle formule.

E allora perché le gomme da corsa sono larghe?

Perché il modello che stiamo usando è semplificato e vale per corpi rigidi su superfici rigide. Le gomme sono deformabili, si scaldano e si aggrappano all'asfalto con meccanismi diversi dal semplice incastro fra asperità. La regola dell'area vale benissimo per casse e mattoni, non per pneumatici da competizione.

6. L'attrito non è solo un nemico

È facile pensare all'attrito come a un disturbo: consuma le parti meccaniche, scalda i motori, spreca energia. Ed è vero, e infatti lo si combatte con lubrificanti e cuscinetti a sfera, che sostituiscono lo strisciamento con il rotolamento (l'attrito volvente, molto più debole).

Ma prova a immaginare un mondo senza attrito. Non potresti camminare: il piede scivolerebbe indietro a ogni passo, perché è proprio l'attrito statico fra suola e pavimento a spingerti in avanti. Nessun veicolo potrebbe partire o frenare. I nodi si scioglierebbero, i chiodi uscirebbero dai muri, gli oggetti appoggiati su un tavolo inclinato scivolerebbero via. L'attrito è tanto la causa per cui le cose si fermano quanto la ragione per cui possono muoversi.

Verso la prossima lezione

Per usare davvero le formule dell'attrito manca un pezzo: sapere quanto vale la forza premente N in una situazione concreta. È esattamente quello che costruiremo nella lezione sulle forze applicate, dove metteremo insieme peso, reazione del vincolo, spinta e attrito in un unico schema.

In sintesi

Verifica se hai capito

1. Una cassa preme sul pavimento con 400 N e il coefficiente di attrito statico vale 0,3. La spingo con 90 N: si muove?

No. Il massimo attrito statico vale 0,3 · 400 = 120 N, e la spinta di 90 N sta sotto quel limite. L'attrito in quell'istante vale esattamente 90 N e la cassa resta in equilibrio.

2. Perché un'auto frena peggio sul bagnato?

Perché l'acqua riduce il coefficiente di attrito fra gomma e asfalto, da circa 1,0 a circa 0,7. A parità di peso dell'auto, la forza frenante disponibile diminuisce e lo spazio di frenata si allunga.

3. Un mattone appoggiato di piatto oppure di costa: cambia la spinta necessaria per farlo partire?

No, perché l'attrito non dipende dall'area di contatto. Cambiando appoggio cambia come il peso si distribuisce, ma la forza premente totale resta la stessa e così l'attrito.

4. Perché è più faticoso far partire un mobile che continuare a spingerlo?

Perché il coefficiente statico è maggiore di quello dinamico. Finché il mobile è fermo, i micro-agganci fra le superfici hanno il tempo di formarsi bene; una volta in movimento non si riformano più, e la forza necessaria cala.

5. Cammino su un pavimento: in che verso agisce l'attrito sul mio piede?

In avanti. Il piede spinge indietro sul pavimento, e per il terzo principio il pavimento spinge in avanti sul piede: quella spinta è attrito statico, perché il piede non scivola. Senza di essa resteresti sul posto, come sul ghiaccio.

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