Se su un piano orizzontale (ad es. il pavimento) è
appoggiato un oggetto al quale è applicata una piccola
forza orizzontale F, è possibile che questo non
si muova affatto. La ragione è che il pavimento esercita
una forza orizzontale, chiamata forza di attrito statico fs,
(o aderenza) che equilibra la forza F che si
esercita. Questa forza d’attrito è dovuta ai legami
tra le molecole dell’oggetto e quelle del pavimento
in quei punti in cui le superfici sono in contatto molto
stretto. Si tratta di una forza simile a una forza di
sostegno, in quanto può variare da zero a una forza
massima fs,max, a seconda della
forza con cui si spinge: se si spinge con una forza
sufficientemente intensa, il nostro oggetto striscerà
sul pavimento. Mentre l’oggetto striscia si creano e
si rompono continuamente legami molecolari e si rompono
piccoli frammenti delle superfici: il risultato è una
forza d’attrito cinetico (o attrito dinamico) fc
che si oppone al moto. Perché la cassa continui a
strisciare con velocità costante occorre esercitare una
forza uguale e opposta a questa forza di attrito
cinetico.
| Figura 1: In questa figura (a) il corpo superiore scivola verso destra scorrendo su quello inferiore. (b) Una porzione di (a) ingrandita che mostra due punti dove si manifesta l’adesione superficiale. |
Consideriamo per prima l’attrito
statico. Ci si aspetterebbe che la forza massima di
attrito statico sia direttamente proporzionale
all’area di contatto tra le due superfici. Però, è
stato dimostrato sperimentalmente che questa forza è
indipendente dall’area ed è direttamente
proporzionale alla forza normale. La forza normale,
chiamata talvolta forza di carico, è quella esercitata
da un corpo sull’altro perpendicolarmente alla
superficie di separazione e nasce dalla deformazione
elastica dei corpi a contatto. La figura 1 mostra che
l’area effettiva di contatto, esaminata su scala
microscopica, è una piccola frazione dell’area
totale.
Un modello ragionevole per l’attrito statico, che
è in accordo con la nostra intuizione e con i risultati
sperimentali, è il seguente. La massima forza
d’attrito è direttamente proporzionale
all’area di contatto, come ci si aspetta, ma
quest’area (microscopica) di contatto è
direttamente proporzionale all’area totale A e alla
forza normale riferita all’area, Fn/A,
esercitata tra le superfici; quindi il prodotto di A
per Fn/A è indipendente
dall’area A.
La forza massima di attrito statico fs,max
è quindi direttamente proporzionale alla forza normale
tra le superfici:
(1)
dove m s,
è il coefficiente di attrito statico, o coefficiente
di aderenza; esso dipende dalla natura della
superficie della scatola e della superficie del
pavimento. Se sulla scatola si esercita una forza
orizzontale minore, la forza di attrito equilibrerà la
forza orizzontale. Si può scrivere in generale
(2)
L’attrito cinetico, come l’attrito statico,
è un fenomeno complesso che non è stato ancora spiegato
completamente. Il coefficiente di attrito cinetico m c è definito
come il rapporto tra il modulo della forza d’attrito
fc e il modulo della
forza normale Fn:
(3)
Sperimentalmente è stato trovato che
- m c,
è minore di m s - m c
dipende dalla velocità relativa delle superfici,
ma, per velocità comprese tra circa 1 cm/s e
parecchi metri al secondo, esso è
all’incirca costante
m c
(come m s)
dipende dalla natura delle superfici, ma è indipendente
dall’area (macroscopica) di contatto.
Il coefficiente d’attrito è massimo quando le superfici che vengono
a contatto sono asciutte o anche completamente bagnate, minimo quando
sono appena umide o fangose o ricoperte di grasso o di foglie, ecc. Eccone
alcuni valori. Per le ferrovie: ruote d’acciaio o ghisa su rotaia
pulita e asciutta, m c =
0,15, idem su rotaia ben sabbiata, m c
= 0,25; idem su rotaia con neve secca, m c= 0,1. Per veicoli stradali:
ruota gommata su asfalto asciutto m
c = 0,7; ruota gommata su asfalto bagnato,
m c = 0,8;
ruota gommata su strada viscida o fangosa m c = 0,06 ¸ 0,2.
Si veda anche questa risposta sull’attrito
al distacco.