Os 3 tipos de atrito entre sólidos

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Você conhece os três tipos de atrito entre os sólidos?

Neste artigo, iremos analisar os três tipos de atrito entre sólidos: o atrito estático, o atrito cinético e o atrito de rolamento. Vamos compreender como cada um desses tipos de atrito ocorre e como eles desempenham papéis essenciais em várias situações, influenciando o movimento e o comportamento de objetos sólidos em contato.

Por – Redação do Física Curiosa

O atrito é um fenômeno físico que ocorre quando dois objetos entram em contato e há uma resistência ao movimento relativo entre eles.

Esse efeito é causado pela interação entre as superfícies dos objetos, que podem ter irregularidades e rugosidades que se encaixam e se opõem ao movimento.

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Introdução

O estudo do atrito entre sólidos é importante em diversas áreas da física, como a mecânica e a tribologia, pois pode afetar o desempenho e a durabilidade de máquinas, veículos e outros equipamentos. Além disso, ele também está presente em situações cotidianas, como caminhar sobre uma superfície escorregadia ou frear um veículo em movimento. Neste contexto, compreender as leis que o regem é fundamental para a compreensão do mundo que nos rodeia.

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As forças de atrito surgem devido à interação entre as superfícies de dois objetos que estão em contato. Quando duas superfícies são colocadas uma sobre a outra, seus átomos e moléculas entram em contato e formam ligações intermoleculares, como as forças de Van der Waals. Essas ligações fazem com que as superfícies se agarrem uma à outra e, por consequência, resistam ao movimento relativo entre elas.

Elas são proporcionais à força normal entre as superfícies e à sua natureza, ou seja, dependem do tipo de material que compõe as superfícies em contato. Existem dois tipos principais de atrito: o estático e o cinético. O estático ocorre quando os objetos estão em repouso relativo e a força necessária para movê-los é maior que a força máxima de atrito estático entre as superfícies. Já o cinético ocorre quando os objetos estão em movimento relativo e a força de atrito é constante e oposta à direção do movimento.

Atrito estático, cinético e de rolamento

Atrito estático

é um tipo de força que ocorre quando dois objetos estão em repouso relativo e há uma resistência ao movimento. Nessa situação, os objetos estão em equilíbrio estático, ou seja, a força de oposição é igual à força que tende a mover o objeto em relação ao outro.

O atrito estático surge porque as superfícies dos objetos em contato se aderem uma à outra, formando uma espécie de “trava” que impede o movimento. A quantidade de força necessária para superar essa “trava” e iniciar o movimento é denominada força máxima de atrito estático, e depende da natureza dos materiais que compõem as superfícies em contato.

A força máxima de atrito estático é determinada pela equação

$F_{max} = \mu s \cdot N$

Onde $F_{max}$ é a força máxima de atrito estático,
μs é o coeficiente de atrito estático,
N é a força normal, que é a força exercida pelas superfícies uma sobre a outra.

O coeficiente μs é uma constante adimensional que varia de acordo com a natureza dos materiais, e é determinado experimentalmente.

Para que o movimento comece a ocorrer, é necessário aplicar uma força maior que a força máxima de atrito estático, se não os objetos permancem em repouso e não há movimento.

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Atrito cinético

é outro tipo de força que ocorre quando dois objetos estão em movimento relativo, ou seja, há uma resistência ao movimento. Nesse caso, as superfícies dos objetos em contato deslizam uma sobre a outra, o que gera um atrito que se opõe à direção do movimento.

A força de atrito cinético é proporcional à força normal entre as superfícies e ao coeficiente de atrito cinético, que é outra constante adimensional que depende da natureza dos materiais em contato.

A equação que relaciona essas grandezas é

$F_{k} = \mu k \cdot N$

, onde

$F_{k}$ é a força de atrito cinético,
μk é o coeficiente de atrito cinético,
N é a força normal.

O atrito cinético é constante quando os objetos estão em movimento relativo, desde que as condições se mantenham as mesmas. Isso significa que a força de atrito cinético é a mesma em todas as velocidades, e só cessa quando o movimento é interrompido.

Ele pode ser observado em diversas situações cotidianas, como no deslizamento de objetos sobre superfícies ásperas ou no contato entre os pneus de um carro e o asfalto. Além disso, ele é importante em áreas como a engenharia mecânica e a física aplicada, pois pode afetar o desempenho e a durabilidade de máquinas e equipamentos.

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Atrito de rolamento

Durante o movimento de rolamento, quando um objeto desliza sobre uma superfície, ocorre um tipo de resistência entre as superfícies em contato. Esse fenômeno é geralmente acompanhado por um coeficiente que é menor do que o observado no movimento de deslizamento, seja ele estático ou cinético. Essa diferença implica que é mais fácil manter um objeto em movimento de rolamento do que em movimento de deslizamento.

No movimento de rolamento, as superfícies em contato executam uma série de pequenos saltos e deslizes, em vez de um deslocamento contínuo em uma única direção. Esses movimentos menores causam uma redução na velocidade do objeto em movimento, devido à interação entre as superfícies em contato.

O movimento de rolamento é considerado mais eficiente em comparação com o movimento de deslizamento, principalmente devido às características de deformação e adaptação das superfícies em contato. Além disso, ele gera menos calor do que o movimento de deslizamento, o que implica em menor perda de energia.

O coeficiente no rolamento depende do tipo de superfície em contato, da força normal (a força perpendicular à superfície de contato) e da velocidade do objeto em movimento. Geralmente, o atrito de rolamento é menor em superfícies mais lisas, em objetos mais redondos e em superfícies mais duras. Uma forma de reduzi-lo é utilizar lubrificantes como óleo ou graxa entre as superfícies de contato.

Consideramos seu estudo importante em muitos sistemas mecânicos, como em carros, bicicletas, máquinas industriais e até mesmo em aparelhos de movimento, como rolamentos e rodízios. A compreensão desse fenômeno é essencial para a otimização de sistemas mecânicos e a redução de perdas de energia.

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Exercícios para nortear os estudos

Um bloco de massa 10 kg é colocado sobre uma superfície horizontal áspera. O coeficiente de atrito estático entre o bloco e a superfície é 0,4. Qual é a força mínima necessária para iniciar o movimento do bloco?

Resolução: A força mínima necessária para iniciar o movimento do bloco é igual à força de atrito estático máxima, e sabendo que a normal é igual a força peso temos:

$F_{min} = Fs_{max} = \mu s \cdot N = \mu s \cdot mg$

Substituindo os valores temos:

$F_{min} = 0,4 \cdot 10 \cdot 9,8 = 39,2 N$

Um objeto com massa de 2 kg está se movendo em uma superfície horizontal áspera com uma velocidade de 5 m/s. A força de atrito cinético entre o objeto e a superfície é 8 N. Qual é a distância percorrida pelo objeto antes de parar?

Resolução: A força de atrito cinético é igual ao coeficiente de atrito cinético multiplicado pela força normal (peso do objeto), que é igual a 2 * 9,8 = 19,6 N.

$Fk_{max} = \mu k \cdot N = \mu s \cdot mg$

Como o objeto está em movimento, a força resultante é igual à força de atrito cinético (oposta ao movimento, logo o objeto está desacelerando, sinal negativo) utilizando a equação de torriceli e a segunda Lei de newton para acharmos a aceleração temos:

$a = - \frac{F}{m}$