Attrito

L’attrito è una resistenza passiva che tende ad ostacolare il moto relativo di due corpi a contatto. Le resistenze passive, che producono la perdita di lavoro dinamico nel contatto tra corpi in moto relativo, possono distinguersi per vari aspetti:

  • aspetto geometrico (estensione del contatto): puntiforme, oppure esteso a linea o a superficie;
  • aspetto cinematico (forma del moto relativo): strisciamento o rotolamento; in particolare, nel contatto esteso, il moto relativo avviene in ogni istante intorno ad un asse al quale sono incidenti tutte le normali di contatto, sempre che si escluda l’urto e che i corpi siano indeformabili;
  • natura dei corpi: contatto tra solidi rigidi o deformabili, tra solido e fluido, tra fluidi;
  • stato delle superfici: lisce o rugose;
  • forma dell’attrito: asciutto, lubrificato.

Manifestazione dinamica dell’attrito

Tra le superfici di due corpi in contatto sussiste la capacità di sviluppo di una forza tangenziale, di entità più o meno consistente, in grado di opporsi al loro moto relativo. La sua manifestazione dinamica è dunque la deviazione (di un centro angolo di attrito) della retta d’azione della forza di contatto mutua dalla normale locale, dalla parte per cui la componente tangenziale si oppone al moto relativo del corpo cui è applicata (rispetto all’altro).

Considerando il contatto tra due corpi solidi, ipotizzando il contatto puntiforme tra le rispettive superfici (ad esempio due sfere di raggio piccolo), la forza di contatto scambiata tra i due corpi passa per il punto comune e la sua retta d’azione può assumere una inclinazione di varia misura rispetto alla normale di contatto (della tangente nel punto comune). Tale inclinazione non è determinata dalla sola geometria del vincolo.

Della forza mutua si possono distinguere la componente normale, la cui retta d’azione è la normale di contatto, e la componente tangenziale, giacente nel piano tangente di contatto. Si dimostra che per una data componente normale, vi è un massimo per la componente tangenziale della forza di contatto, quanto a dire un massimo dell’inclinazione della forza stessa sulla normale; tale valore massimo dipende dalle condizioni che caratterizzano localmente il contatto.

Coefficiente di attrito

Il coefficiente di attrito è una grandezza adimensionale ed il suo valore dipende sia dalla tipologia dei materiali in contatto che dalla lavorazione delle rispettive superfici (che ne determina la rugosità superficiale e quindi le forze di interazione tra gli atomi dei materiali a contatto).

Ricordiamo la definizione di attrito come un fenomeno macroscopico di resistenza, dovuto alla rugosità delle superfici materiali. È un fenomeno ovunque presente, anche se in minima parte, che si manifesta nel contatto tra due corpi materiali, sia in condizioni statiche (attrito statico) che dinamiche (attrito dinamico in moto relativo), dando luogo ad una forza resistente detta forza di attrito.

Gli effetti dell’attrito si manifestano con la dispersione dell’energia meccanica (ovvero l’energia cinetica) in calore, il che riduce il rendimento del movimento ma in alcuni casi è di fondamentale utilità, ad esempio qualora non si cerchi un movimento libero ma un’adesione o un controllo del moto relativo.

Il coefficiente di attrito è pari al rapporto tra la forza di attrito sviluppata tra i due corpi \(F_r\) e la forza che li mantiene in contatto \(F_{\perp}\).

Il coefficiente di attrito statico \(\mu_{rs}\) è sempre maggiore, o al più, uguale al coefficiente d’attrito dinamico \(\mu_{rd}\) per le medesime superfici in contatto. Dal punto di vista microscopico, esso è dovuto alle forze di interazione tra gli atomi dei materiali a contatto. Questo implica che la forza di primo distacco necessaria (cioè per far sì che i corpi inizino a strisciare in moto relativo) è superiore a quella necessaria a tenerli in strisciamento.

Il coefficiente di attrito statico è uguale alla tangente dell’angolo massimo raggiungibile tra le due forze prima che uno dei due corpi cominci a scivolare lungo l’altro (angolo di attrito).

Tipologie di attrito

In meccanica si riscontrano fondamentalmente tre tipi di attrito:

  • attrito secco: si manifesta tra due corpi a contatto su superfici non lubrificate;
  • attrito fluido (viscoso): si manifesta alle superfici di due corpi in moto relativo tra i quali sia interposto un lubrificante liquido o gassoso, per cui si sviluppano delle forze viscose di interazione tra il corpo materiale e le molecole del fluido (liquido o gas) con cui è in moto relativo. Tale forza di attrito viscoso è legata ad un numero adimensionale detto numero di Reynolds.
  • attrito interno dei materiali: si manifesta come una non perfetta elasticità dei corpi reali quando vengono deformati.

A seconda della presenza o meno di moto relativo e della sua tipologia si distinguono anche:

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