Fricção: tipos, coeficiente, cálculo, exercícios - Ciência - 2023

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o atrito é a resistência ao deslocamento de uma superfície em contato com outra. É um fenômeno de superfície que ocorre entre materiais sólidos, líquidos e gasosos. A força de resistência tangencial a duas superfícies em contato, que se opõe à direção de deslocamento relativo entre as referidas superfícies, também é chamada de força de atrito ou força de atrito F_r.

Para deslocar um corpo sólido em uma superfície, uma força externa deve ser aplicada para superar o atrito. Quando o corpo se move, a força de atrito age sobre o corpo, desacelerando-o e pode até pará-lo.

A força de atrito pode ser representada graficamente pelo diagrama de força de um corpo em contato com uma superfície. Neste diagrama, a força de atrito F_r é desenhado em oposição ao componente da força aplicada no corpo tangencial à superfície.

A superfície de contato exerce uma força de reação no corpo chamada de força normal N. Em alguns casos, a força normal é devida apenas ao peso P do corpo repousando na superfície e, em outros casos, é devido a outras forças aplicadas que não a força da gravidade.

O atrito ocorre porque existem rugosidades microscópicas entre as superfícies em contato. Ao tentar mover uma superfície sobre a outra, ocorre atrito entre as rugosidades que impedem o movimento livre na interface. Por sua vez, as perdas de energia ocorrem na forma de calor que não é usado para mover o corpo.

Tipos de fricção

Existem dois tipos principais de atrito: atrito de Coulomb ou atrito seco e atrito fluido.

-Coulomb atrito

Atrito Coulomb É sempre oposto ao movimento dos corpos e subdivide-se em dois tipos de atrito: atrito estático e atrito cinético (ou dinâmico).

No atrito estático, não há movimento do corpo na superfície. A força aplicada é muito baixa e insuficiente para superar a força de atrito. O atrito tem um valor máximo que é proporcional à força normal e é chamado de força de atrito estático F_ré.

A força de atrito estático é definida como a força máxima que resiste ao início do movimento do corpo. Quando a força aplicada excede a força de atrito estático, ela permanece em seu valor máximo.

O atrito cinético atua quando o corpo já está em movimento. A força necessária para manter o corpo em movimento com o atrito é chamada de força de atrito cinético. F_rc.

A força de atrito cinético é menor ou igual à força de atrito estático porque, uma vez que o corpo começa a se mover, é mais fácil continuar se movendo do que tentar fazê-lo em repouso.

Leis da fricção de Coulomb

A força de atrito é diretamente proporcional à força normal à superfície de contato. A constante de proporcionalidade é o coeficiente de atrito μ que existe entre as superfícies em contato.
A força de atrito é independente do tamanho da área de contato aparente entre as superfícies.
A força cinética de atrito é independente da velocidade de deslizamento do corpo.

- Fricção de fluido

O atrito também ocorre quando os corpos se movem em contato com materiais líquidos ou gasosos. Esse tipo de atrito é chamado de atrito de fluido e é definido como a resistência ao movimento dos corpos em contato com um fluido.

O atrito de fluido também se refere à resistência de um fluido ao escoamento em contato com camadas de fluido do mesmo ou de um material diferente e depende da velocidade e da viscosidade do fluido. Viscosidade é a medida da resistência ao movimento de um fluido.

-Apressa atrito

O atrito de Stokes é um tipo de atrito de fluido no qual partículas esféricas imersas em um fluido viscoso, em fluxo laminar, sofrem uma força de atrito que retarda seu movimento devido às flutuações nas moléculas do fluido.

O fluxo é laminar quando as forças viscosas, que se opõem ao movimento do fluido, são maiores do que as forças inerciais e o fluido se move com velocidade suficientemente pequena e em um caminho retilíneo.

Coeficientes de atrito

De acordo com a primeira lei de fricção de Coulomb o coeficiente de atrito μ É obtido a partir da relação entre a força de atrito e a força normal à superfície de contato.

μ = F_r/N

Coeficienteμ é uma grandeza adimensional, pois é uma relação entre duas forças, que depende da natureza e do tratamento dos materiais em contato. Geralmente, o valor do coeficiente de atrito está entre 0 e 1.

Coeficiente de atrito estático

O coeficiente de atrito estático é a constante de proporcionalidade que existe entre a força que impede o movimento de um corpo em estado de repouso sobre uma superfície de contato e a força normal à superfície.

μ_e= F_ré/ N

Coeficiente de atrito cinético

O coeficiente de atrito cinético é a constante de proporcionalidade que existe entre a força que restringe o movimento de um corpo em movimento sobre uma superfície e a força normal à superfície.

μ_c= F_rc/ N

O coeficiente de atrito estático é maior do que o coeficiente de atrito cinético.

μ_s> μ_c

Coeficiente de atrito elástico

O coeficiente de atrito elástico é derivado do atrito entre as superfícies de contato de materiais elásticos, lisos ou ásperos que são deformados por forças aplicadas. O atrito se opõe ao movimento relativo entre duas superfícies elásticas e o deslocamento é acompanhado por uma deformação elástica das camadas superficiais do material.

O coeficiente de atrito obtido nessas condições depende do grau de rugosidade da superfície, das propriedades físicas dos materiais em contato e da magnitude do componente tangencial da força de cisalhamento na interface dos materiais.

Coeficiente de atrito molecular

O coeficiente molecular de atrito é obtido a partir da força que restringe o movimento de uma partícula que desliza sobre uma superfície lisa ou através de um fluido.

Como o atrito é calculado?

A força de atrito nas interfaces sólidas é calculada usando a equação F_r = μN

N é a força normal eμ é o coeficiente de atrito.

Em alguns casos, a força normal é igual ao peso do corpo P. O peso é obtido multiplicando a massa m do corpo pela aceleração da gravidade g.

P= mg

Substituir a equação do peso na equação da força de atrito dá:

F_r = μmg

Características do normal

Quando um objeto está em repouso em uma superfície plana, a força normal é aquela que a superfície exerce sobre o corpo, e se opõe à força da gravidade, de acordo com a lei de ação e reação de Newton.

A força normal sempre atua perpendicularmente à superfície. Em uma superfície inclinada, o normal diminui à medida que o ângulo de inclinação aumenta e aponta em uma direção perpendicular para longe da superfície, enquanto o peso aponta verticalmente para baixo. A equação da força normal em uma superfície inclinada é:

N = mgcosθ

θ = ângulo de inclinação da superfície de contato.

O componente da força que atua no corpo para deslizá-lo é:

F = mgsenθ

À medida que a força aplicada aumenta, ela se aproxima do valor máximo da força de atrito, este valor é o correspondente à força de atrito estático. Quando F = F_ré, a força de atrito estático é:

F_ré= mgsenθ

E o coeficiente de atrito estático é obtido pela tangente do ângulo de inclinação θ.

μ_e= soθ

Exercícios resolvidos

- Força de restrição de um objeto que repousa sobre uma superfície horizontal

Uma caixa de 15Kg colocada em uma superfície horizontal é empurrada por uma pessoa que aplica uma força de 50 Newton ao longo de uma superfície para fazê-la se mover e então aplica uma força de 25 N para manter a caixa se movendo a uma velocidade constante. Determine os coeficientes de atrito estático e cinético.

Solução: Com o valor da força aplicada para mover a caixa, obtém-se o coeficiente de atrito estático μ_e.

μ_e= F_ré/ N

Força normal N à superfície é igual ao peso da caixa, então N = m.g

N = 15kgx9,8m / s²

N = 147Novo

Neste caso, μ_e= 50Novo / 147Novo

μ_e=0,34

A força aplicada para manter a velocidade da caixa constante é a força cinética de atrito que é igual a 25New.

O coeficiente de atrito cinético é obtido a partir da equação μ_c= F_rc/ N

μ_c= 25Novo / 147Novo

μ_c=0,17

- Força de fricção de um objeto sob a ação de uma força com um ângulo de inclinação

Um homem aplica uma força a uma caixa de 20Kg, com um ângulo de aplicação de 30 ° em relação à superfície onde repousa. Qual é a magnitude da força aplicada para mover a caixa se o coeficiente de atrito entre a caixa e a superfície é 0,5?

Solução: O diagrama de corpo livre representa a força aplicada e seus componentes vertical e horizontal.

A força aplicada forma um ângulo de 30 ° com a superfície horizontal. O componente vertical da força se soma à força normal que afeta a força de atrito estático. A caixa se move quando o componente horizontal da força aplicada excede o valor máximo da força de atrito F_ré. Equacionar a componente horizontal da força com a do atrito estático dá:

F_ré = Fcosθ[1]

F_ré= μ_e.N[2]

μ_e.N = Fcosθ[3]

força normal

A força normal não é mais o peso do corpo devido ao componente vertical da força.

De acordo com a segunda lei de Newton, a soma das forças que atuam sobre a caixa no eixo vertical é zero, portanto, a componente vertical da aceleração é para_Y=0. A força normal é obtida da soma

F sin 30 ° + N - P = 0 [4]

P = m.g[5]

F sen 30 ° + N - m.g = 0[6]

N = m.g - F sen 30 °[7]

Substituir a equação [7] na equação [3] dá o seguinte:

μ_e. (m.g - F sin 30 °) = Fcos30 ° [8]

Limpa F da equação [8] e obtemos:

F = μ_e . m.g / (cos 30 ° + μ_e sen 30 °) = 0,5 x 20Kg x 9,8m / s² / (0,87+ (0,5 x 0,5)) =

F = 87,5 Novo

-Fricção em um veículo em movimento

Um veículo de 1,5 tonelada viaja em uma estrada reta e horizontal a uma velocidade de 70 km / h. O motorista vê obstáculos na estrada a uma certa distância que o forçam a frear bruscamente. Após a frenagem, o veículo desliza por um curto período até parar. Se o coeficiente de atrito entre os pneus e a estrada for 0,7; determine o seguinte:

Qual é o valor de atrito durante a derrapagem do veículo?
Desaceleração do veículo
A distância percorrida pelo veículo desde o momento em que ele freia até o momento em que ele para.

Solução:

Parágrafo a

O diagrama de corpo livre mostra as forças que atuam no veículo quando ele derrapa.

Como a soma das forças que atuam no eixo vertical é zero, a força normal é igual ao peso do veículo.

N = m.g

m = 1,5 ton = 1500Kg

N = 1500Kgx9,8m / s²= 14700New

A força de atrito do veículo quando ele derrapa é:

F_r = μN = 0,7x14700Novo

= 10290 Novo

Seção b

A força de atrito influencia a desaceleração do veículo quando ele derrapa.

Aplicando a segunda lei de Newton, o valor da desaceleração é obtido resolvendo a equaçãoF = m.a

a = F / m

a = (-10290 Novo) / 1500Kg

= -6,86m / s²

Seção c

A velocidade inicial do veículo é v₀ = 70Km / h = 19,44m / s

Quando o veículo para, sua velocidade final é v_F = 0 e a desaceleração éa = –6,86m / s²

A distância percorrida pelo veículo, desde o momento da travagem até ao momento de paragem, é obtida ao limpar d da seguinte equação:

v_F²= v₀²+ 2ad

d = (v_F²- v₀²) / 2ª

=((0)²- (19,44 m / s)²) / (2x (-6,86m / s²))

d = 27,54m

O veículo viaja 27,54m antes de parar.

Referências

Cálculos do coeficiente de atrito em condições de contato elástico. Mikhin, N M. 2, 1968, Soviet Materials Science, Vol. 4, pp. 149-152.
Blau, P J. Ciência e tecnologia de fricção. Flórida, EUA: CRC Press, 2009.
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Zimba, J. Força e movimento. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
Bhushan, B. Princípios e aplicações da tribologia. Nova York: John Wiley and Sons, 1999.
Sharma, C S e Purohit, K. Teoria dos mecanismos e máquinas. Nova Delhi: Prentice Hall of India, 2006.