Atrito

Fricção entre dois objectos. O azul tem mais atrito contra a superfície inclinada do que o verde.

Figura 1: Blocos simulados com superfícies ásperas fractais, exibindo interações atrito estáticas

Atrito é a força que resiste ao movimento relativo de superfícies sólidas, camadas de fluido e elementos materiais que deslizam uns contra os outros. Existem vários tipos de atrito:

• Atrito seco é uma força que se opõe ao movimento lateral relativo de duas superfícies sólidas em contato. O atrito seco é subdividido em atrito estático ("stição") entre superfícies não móveis, e atrito cinético entre superfícies móveis. Com exceção do atrito atômico ou molecular, o atrito seco geralmente surge da interação das características da superfície, conhecidas como asperidades (ver Figura 1).
• Atrito fluido descreve o atrito entre camadas de um fluido viscoso que estão se movendo em relação uns aos outros.

• Atrito lubrificante é um caso de fricção de fluidos onde um fluido lubrificante separa duas superfícies sólidas.

• Atrito de pele é um componente de arrastar, a força que resiste ao movimento de um fluido através da superfície de um corpo.
• Atrito interno é a força que resiste ao movimento entre os elementos que compõem um material sólido enquanto sofre deformação.

Quando as superfícies em contato se movem uma em relação à outra, o atrito entre as duas superfícies converte energia cinética em energia térmica (ou seja, converte trabalho em calor). Essa propriedade pode ter consequências dramáticas, como ilustrado pelo uso do atrito criado ao esfregar pedaços de madeira para iniciar um incêndio. A energia cinética é convertida em energia térmica sempre que ocorre movimento com fricção, por exemplo, quando um fluido viscoso é agitado. Outra consequência importante de muitos tipos de atrito pode ser o desgaste, que pode levar à degradação do desempenho ou danos aos componentes. O atrito é um componente da ciência da tribologia.

A fricção é desejável e importante no fornecimento de tração para facilitar o movimento em terra. A maioria dos veículos terrestres depende do atrito para aceleração, desaceleração e mudança de direção. Reduções repentinas na tração podem causar perda de controle e acidentes.

O atrito não é em si uma força fundamental. O atrito seco surge de uma combinação de adesão entre superfícies, rugosidade da superfície, deformação da superfície e contaminação da superfície. A complexidade dessas interações torna impraticável o cálculo do atrito a partir dos primeiros princípios e exige o uso de métodos empíricos para análise e desenvolvimento de teoria.

O atrito é uma força não conservativa – o trabalho realizado contra o atrito depende da trajetória. Na presença de atrito, alguma energia cinética é sempre transformada em energia térmica, de modo que a energia mecânica não é conservada.

História

Os gregos, incluindo Aristóteles, Vitrúvio e Plínio, o Velho, estavam interessados na causa e mitigação do atrito. Eles estavam cientes das diferenças entre atrito estático e cinético com Themistius afirmando em 350 AD que "é mais fácil promover o movimento de um corpo em movimento do que mover um corpo em repouso".

As leis clássicas do atrito de deslizamento foram descobertas por Leonardo da Vinci em 1493, um pioneiro da tribologia, mas as leis documentadas em seus cadernos não foram publicadas e permaneceram desconhecidas. Essas leis foram redescobertas por Guillaume Amontons em 1699 e ficaram conhecidas como as três leis de atrito seco de Amonton. Amontons apresentou a natureza do atrito em termos de irregularidades da superfície e a força necessária para aumentar o peso pressionando as superfícies juntas. Esta visão foi posteriormente elaborada por Bernard Forest de Bélidor e Leonhard Euler (1750), que derivou o ângulo de repouso de um peso em um plano inclinado e primeiro distinguiu entre atrito estático e cinético. John Theophilus Desaguliers (1734) foi o primeiro a reconhecer o papel da adesão no atrito. Forças microscópicas fazem com que as superfícies grudem; ele propôs que o atrito era a força necessária para separar as superfícies aderentes.

A compreensão do atrito foi desenvolvida por Charles-Augustin de Coulomb (1785). Coulomb investigou a influência de quatro fatores principais no atrito: a natureza dos materiais em contato e seus revestimentos superficiais; a extensão da área de superfície; a pressão normal (ou carga); e o tempo que as superfícies permaneceram em contato (tempo de repouso). Coulomb considerou ainda a influência da velocidade de deslizamento, temperatura e umidade, a fim de decidir entre as diferentes explicações sobre a natureza do atrito que haviam sido propostas. A distinção entre atrito estático e dinâmico é feita na lei de atrito de Coulomb (veja abaixo), embora essa distinção já tenha sido feita por Johann Andreas von Segner em 1758. O efeito do tempo de repouso foi explicado por Pieter van Musschenbroek (1762) considerando as superfícies de materiais fibrosos, com fibras se engrenando, o que leva um tempo finito em que o atrito aumenta.

John Leslie (1766–1832) notou uma fraqueza nas visões de Amontons e Coulomb: Se o atrito surge de um peso sendo puxado para cima no plano inclinado de asperezas sucessivas, por que então não é equilibrado ao descer o oposto declive? Leslie era igualmente cética quanto ao papel da adesão proposto por Desaguliers, que deveria, em geral, ter a mesma tendência de acelerar e retardar o movimento. Na visão de Leslie, o atrito deve ser visto como um processo dependente do tempo de achatamento, pressionando as asperezas, o que cria novos obstáculos no que antes eram cavidades.

Arthur Jules Morin (1833) desenvolveu o conceito de deslizamento versus atrito de rolamento. Osborne Reynolds (1866) derivou a equação do fluxo viscoso. Isso completou o modelo empírico clássico de atrito (estático, cinético e fluido) comumente usado hoje em engenharia. Em 1877, Fleeming Jenkin e J. A. Ewing investigaram a continuidade entre o atrito estático e o cinético.

O foco da pesquisa durante o século 20 foi entender os mecanismos físicos por trás do atrito. Frank Philip Bowden e David Tabor (1950) mostraram que, em nível microscópico, a área real de contato entre as superfícies é uma fração muito pequena da área aparente. Esta área real de contato, causada por asperezas aumenta com a pressão. O desenvolvimento do microscópio de força atômica (cerca de 1986) permitiu aos cientistas estudar o atrito na escala atômica, mostrando que, nessa escala, o atrito seco é o produto da tensão de cisalhamento intersuperficial e da área de contato. Essas duas descobertas explicam a primeira lei de Amonton (abaixo); a proporcionalidade macroscópica entre força normal e força de atrito estático entre superfícies secas.

Leis do atrito seco

A propriedade elementar do atrito deslizante (cinético) foi descoberta experimentalmente nos séculos XV a XVIII e foi expressa em três leis empíricas:

• Primeira Lei dos Amontons: A força de atrito é diretamente proporcional à carga aplicada.
• Segunda Lei dos Amontons: A força de atrito é independente da área aparente de contato.
• Lei de Fricção de Coulomb: A fricção cinética é independente da velocidade de deslizamento.

Atrito a seco

O atrito seco resiste ao movimento lateral relativo de duas superfícies sólidas em contato. Os dois regimes de atrito seco são 'atrito estático' ("stiction") entre superfícies imóveis e atrito cinético (às vezes chamado de atrito deslizante ou atrito dinâmico) entre superfícies móveis.

O atrito de Coulomb, em homenagem a Charles-Augustin de Coulomb, é um modelo aproximado usado para calcular a força de atrito seco. É governado pelo modelo:

Ff≤ ≤ μ μ Fn,{displaystyle F_{mathrm {f} }leq mu F_{mathrm {n} } },}

• Ff{displaystyle F_{mathrm {f} }} é a força de atrito exercida por cada superfície no outro. É paralelo à superfície, em uma direção oposta à força aplicada líquida.
• μ μ - Sim. é o coeficiente de atrito, que é uma propriedade empírica dos materiais de contato,
• Fn{displaystyle F_{mathrm {n} }} é a força normal exercida por cada superfície na outra, dirigida perpendicular (normal) à superfície.

O atrito de Coulomb Ff{displaystyle F_{mathrm {f} }} pode levar qualquer valor de zero até μ μ Fn{displaystyle mu F_{mathrm {n} }}, e a direção da força atrito contra uma superfície é oposta ao movimento que a superfície experimentaria na ausência de atrito. Assim, no caso estático, a força atrito é exatamente o que deve ser para evitar o movimento entre as superfícies; equilibra a força líquida tendendo a causar tal movimento. Neste caso, em vez de fornecer uma estimativa da força atrito real, a aproximação do Coulomb fornece um valor limiar para esta força, acima do qual o movimento começaria. Esta força máxima é conhecida como tração.

A força de atrito é sempre exercida em uma direção oposta ao movimento (para atrito cinético) ou movimento potencial (para atrito estático) entre as duas superfícies. Por exemplo, uma pedra de curling deslizando ao longo do gelo sofre uma força cinética que a retarda. Para um exemplo de movimento potencial, as rodas motrizes de um carro em aceleração experimentam uma força de atrito apontando para frente; se não o fizessem, as rodas girariam e a borracha deslizaria para trás ao longo do pavimento. Observe que não é a direção do movimento do veículo que eles se opõem, é a direção do (potencial) deslizamento entre o pneu e a estrada.

Força normal

Diagrama de corpo livre para um bloco em uma rampa. Setas são vetores indicando direções e magnitudes de forças. N é a força normal, mg é a força da gravidade, e F_f é a força do atrito.

A força normal é definida como a força líquida que comprime duas superfícies paralelas juntas, e sua direção é perpendicular às superfícies. No caso simples de uma massa de repouso em uma superfície horizontal, o único componente da força normal é a força devido à gravidade, onde N= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =mgNão. N=mg,}. Neste caso, as condições de equilíbrio nos dizem que a magnitude da força de atrito é zero, Ff= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0Não. F_{f}=0}. Na verdade, a força de atrito sempre satisfaz Ff≤ ≤ μ μ NNão. F_{f}leq mu N}, com a igualdade alcançado apenas em um ângulo de rampa crítico (dado por bronzeado- Sim. - Sim. 1⁡ ⁡ μ μ {displaystyle tan ^{-1}mu }) que é íngreme o suficiente para iniciar o deslizamento.

O coeficiente de atrito é uma propriedade estrutural empírica (medida experimentalmente) que depende apenas de vários aspectos dos materiais em contato, como a rugosidade da superfície. O coeficiente de atrito não é uma função da massa ou do volume. Por exemplo, um grande bloco de alumínio tem o mesmo coeficiente de atrito que um pequeno bloco de alumínio. No entanto, a magnitude da própria força de atrito depende da força normal e, portanto, da massa do bloco.

Dependendo da situação, o cálculo da força normal NNão. pode incluir forças além da gravidade. Se um objeto está em uma superfície de nível e submetido a uma força externa PNão. P. tendendo a fazê-lo deslizar, então a força normal entre o objeto e a superfície é apenas N= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =mg+PSim.Não. N=mg+P_{y}}, onde mg- Sim. é o peso do bloco e PSim.Não. P_{y}} é o componente descendente da força externa. Antes de deslizar, esta força de atrito é Ff= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. PxNão. F_{f}=-P_{x}}, onde Px{displaystyle P_{x}} é o componente horizontal da força externa. Assim, Ff≤ ≤ μ μ NNão. F_{f}leq mu N} em geral. Deslizando começa apenas depois que esta força de atrito atinge o valor Ff= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =μ μ NNão. F_{f}=mu N}. Até então, o atrito é o que precisa ser para fornecer equilíbrio, para que possa ser tratado como simplesmente uma reação.

Se o objeto está em uma superfície inclinada como um plano inclinado, a força normal da gravidade é menor do que mg- Sim., porque menos da força da gravidade é perpendicular à face do avião. A força normal e a força de atrito são finalmente determinados usando a análise vetorial, geralmente através de um diagrama de corpo livre.

Em geral, o processo para resolver qualquer problema de estática com atrito é tratar superfícies de contato tentativas como imovível para que a força de reação tangencial correspondente entre eles possa ser calculada. Se esta força de reação atrito satisfaz Ff≤ ≤ μ μ NNão. F_{f}leq mu N}, então a suposição tentativa foi correta, e é a força atrito real. Caso contrário, a força de atrito deve ser definida igual a Ff= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =μ μ NNão. F_{f}=mu N}, e então o desequilíbrio de força resultante determinaria então a aceleração associada ao deslizamento.

Coeficiente de atrito

O coeficiente de atrito (COF), muitas vezes simbolizado pela letra grega µ, é um valor escalar adimensional que é igual à razão entre a força de atrito entre dois corpos e a força que os pressiona, durante ou no início do deslizamento. O coeficiente de atrito depende dos materiais utilizados; por exemplo, o gelo no aço tem um baixo coeficiente de atrito, enquanto a borracha no pavimento tem um alto coeficiente de atrito. Os coeficientes de atrito variam de quase zero a mais de um. O coeficiente de atrito entre duas superfícies de metais semelhantes é maior do que entre duas superfícies de metais diferentes; por exemplo, latão tem um coeficiente de fricção maior quando movido contra latão, mas menor se movido contra aço ou alumínio.

Para superfícies em repouso em relação uns aos outros, μ μ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =μ μ S{displaystyle mu =mu _{mathrm {s} }}, onde μ μ S{displaystyle mu _{mathrm {s} }} é o coeficiente de atrito estático. Isso geralmente é maior do que sua contraparte cinética. O coeficiente de atrito estático exibido por um par de superfícies de contato depende dos efeitos combinados das características de deformação material e rugosidade superficial, ambos com suas origens na ligação química entre átomos em cada um dos materiais a granel e entre as superfícies materiais e qualquer material adsorvido. A fratalidade das superfícies, um parâmetro que descreve o comportamento escalonante das asperidades superficiais, é conhecido por desempenhar um papel importante na determinação da magnitude do atrito estático.

Para superfícies em movimento relativo μ μ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =μ μ k{displaystyle mu =mu _{mathrm {k} }}, onde μ μ k{displaystyle mu _{mathrm {k} }} é o coeficiente de atrito cinético. O atrito de Coulomb é igual a Ff{displaystyle F_{mathrm {f} }}, e a força de atrito em cada superfície é exercida na direção oposta ao seu movimento em relação à outra superfície.

Arthur Morin introduziu o termo e demonstrou a utilidade do coeficiente de atrito. O coeficiente de atrito é uma medida empírica — deve ser medido experimentalmente, e não pode ser encontrado por meio de cálculos. Superfícies mais rugosas tendem a ter valores efetivos mais altos. Os coeficientes de atrito estático e cinético dependem do par de superfícies em contato; para um dado par de superfícies, o coeficiente de atrito estático é geralmente maior que o de atrito cinético; em alguns conjuntos os dois coeficientes são iguais, como teflon-on-teflon.

A maioria dos materiais secos em combinação tem valores de coeficiente de atrito entre 0,3 e 0,6. Valores fora dessa faixa são mais raros, mas o teflon, por exemplo, pode ter um coeficiente tão baixo quanto 0,04. Um valor de zero significaria nenhum atrito, uma propriedade indescritível. A borracha em contato com outras superfícies pode produzir coeficientes de atrito de 1 a 2. Ocasionalmente, afirma-se que μ é sempre < 1, mas isso não é verdade. Enquanto na maioria das aplicações relevantes μ < 1, um valor acima de 1 implica apenas que a força necessária para deslizar um objeto ao longo da superfície é maior que a força normal da superfície sobre o objeto. Por exemplo, borracha de silicone ou superfícies revestidas com borracha acrílica têm um coeficiente de atrito que pode ser substancialmente maior que 1.

Embora seja frequentemente afirmado que o COF é uma "propriedade material" é melhor categorizado como uma "propriedade do sistema" Ao contrário das verdadeiras propriedades do material (como condutividade, constante dielétrica, resistência ao escoamento), o COF para quaisquer dois materiais depende de variáveis do sistema como temperatura, velocidade, atmosfera e também o que agora é popularmente descrito como tempos de envelhecimento e desaquecimento; bem como nas propriedades geométricas da interface entre os materiais, nomeadamente a estrutura da superfície. Por exemplo, um pino de cobre deslizando contra uma placa de cobre espessa pode ter um COF que varia de 0,6 em baixas velocidades (deslizamento de metal contra metal) a menos de 0,2 em altas velocidades quando a superfície de cobre começa a derreter devido ao aquecimento por atrito. A última velocidade, é claro, não determina exclusivamente o COF; se o diâmetro do pino for aumentado para que o aquecimento por fricção seja removido rapidamente, a temperatura cai, o pino permanece sólido e o COF sobe para o de uma 'baixa velocidade' teste.

Coeficientes de fricção aproximados

Materiais		Fricção estática, μ μ S{displaystyle mu _{mathrm {s} }}		Fricção cinética/deslizante, μ μ k{displaystyle mu _{mathrm {k} },}
		Seco e limpo	Lubrificado	Seco e limpo	Lubrificado
Alumínio	Aço	0,61		0
Alumínio	Alumínio	1.05–1.35	0	1.4–1.5
Ouro	Ouro			2.5.
Platinum Platinum Platinum	Platinum Platinum Platinum	1.2.	0,25	3.0.
Prata	Prata	UNIÃO EUROPEIA	0,55	1.5.
Alumina cerâmica	Cerâmica de nitreto de silicone				0.004 (wet)
BAM (liga cerâmica AlMgB14)	Bordo de titânio (TiB2)	0,04–0,05	0,02
Latão	Aço	0,35–0,51	0,19	0,4
Ferro fundido	Cobre	1.05		0,29
Ferro fundido	Zinco	0,85		0,21
Concreto de concreto	Borracha de borracha	1.0.	0.30 (wet)	0,6–0,85	0,45–0,75 (wet)
Concreto de concreto	Madeira	0,62
Cobre	Vidro	0,68		0,53
Cobre	Aço	0,53		0,36	0,18
Vidro	Vidro	0.9–1.0	0,005–0,01	0	0,09–0.116
Fluido sinovial humano	Cartilagem humana		0,01		0,003
Gelo	Gelo	0,02–0,09
Poliéster	Aço	0,2	0,2
PTFE (Teflon)	PTFE (Teflon)	0,04	0,04		0,04
Aço	Gelo	0,03
Aço	PTFE (Teflon)	0,04–0,2	0,04		0,04
Aço	Aço	0,74–0,80	0,005–0.23	0.42–0.62	0,029–0.19
Madeira	Metal	0,2–0,6	0,2 (wet)	0,45	0,075
Madeira	Madeira	0,25–0.62	0,2 (wet)	0,32–0,48	0,067–0.167

Sob certas condições, alguns materiais têm coeficientes de atrito muito baixos. Um exemplo é o grafite (altamente ordenado pirolítico) que pode ter um coeficiente de atrito abaixo de 0,01. Esse regime de ultrabaixo atrito é chamado de superlubricidade.

Atrito estático

Quando a massa não está se movendo, o objeto experimenta atrito estático. O atrito aumenta à medida que a força aplicada aumenta até que o bloco se mova. Depois que o bloco se move, ele experimenta atrito cinético, que é menos do que o atrito estático máximo.

O atrito estático é o atrito entre dois ou mais objetos sólidos que não estão se movendo um em relação ao outro. Por exemplo, o atrito estático pode impedir que um objeto deslize por uma superfície inclinada. O coeficiente de atrito estático, normalmente denotado como μ_s, geralmente é maior que o coeficiente de atrito cinético. Considera-se que o atrito estático surge como resultado de características de rugosidade da superfície em várias escalas de comprimento em superfícies sólidas. Esses recursos, conhecidos como asperezas, estão presentes em dimensões de nanoescala e resultam em um contato sólido sólido verdadeiro existente apenas em um número limitado de pontos, representando apenas uma fração da área de contato aparente ou nominal. A linearidade entre a carga aplicada e a área de contato real, decorrente da deformação da aspereza, dá origem à linearidade entre a força de atrito estático e a força normal, encontrada para o atrito típico do tipo Amonton-Coulomb.

A força de atrito estático deve ser superada por uma força aplicada antes que um objeto possa se mover. A força de atrito máxima possível entre duas superfícies antes de deslizar começa é o produto do coeficiente de atrito estático e da força normal: Fmáx.= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =μ μ SFn{displaystyle F_{text{max}}=mu - Não.. Quando não há deslizamento ocorrendo, a força de atrito pode ter qualquer valor de zero até Fmáx.{displaystyle F_{text{max}}}. Qualquer força menor do que Fmáx.{displaystyle F_{text{max}}} tentar deslizar uma superfície sobre a outra é oposta por uma força de atrito de igual magnitude e direção oposta. Qualquer força maior do que Fmáx.{displaystyle F_{text{max}}} supera a força de atrito estático e faz com que o deslizamento ocorra. O deslizamento instantâneo ocorre, o atrito estático não é mais aplicável - o atrito entre as duas superfícies é então chamado de atrito cinético. No entanto, um atrito estático aparente pode ser observado mesmo no caso em que o atrito estático verdadeiro é zero.

Um exemplo de atrito estático é a força que impede que a roda de um carro deslize enquanto rola no chão. Mesmo que a roda esteja em movimento, o pedaço do pneu em contato com o solo é estacionário em relação ao solo, portanto é estático em vez de atrito cinético. Ao escorregar, o atrito da roda muda para atrito cinético. Um sistema de freio antitravamento opera com base no princípio de permitir que uma roda travada retome a rotação para que o carro mantenha o atrito estático.

O valor máximo do atrito estático, quando o movimento é iminente, às vezes é referido como atrito limitante, embora este termo não seja usado universalmente.

Atrito cinético

Atrito cinético, também conhecido como atrito dinâmico ou atrito deslizante, ocorre quando dois objetos estão se movendo em relação uns aos outros e esfregam juntos (como um trenó no chão). O coeficiente de atrito cinético é tipicamente denotado como μ_k, e é geralmente menos do que o coeficiente de atrito estático para os mesmos materiais. No entanto, Richard Feynman comenta que "com metais secos é muito difícil mostrar qualquer diferença". A força de atrito entre duas superfícies após o deslizamento começa é o produto do coeficiente de atrito cinético e da força normal: Fk= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =μ μ kFnNão. F_{k}=mu _{mathrm {k} }F_{n}}. Isso é responsável pelo amortecimento do Coulomb de um sistema oscilante ou vibratório.

Novos modelos estão começando a mostrar como o atrito cinético pode ser maior do que o atrito estático. O atrito cinético é agora entendido, em muitos casos, como sendo causado principalmente pela ligação química entre as superfícies, em vez de asperezas entrelaçadas; no entanto, em muitos outros casos, os efeitos da rugosidade são dominantes, por exemplo, na borracha para o atrito da estrada. A rugosidade da superfície e a área de contato afetam o atrito cinético para objetos de micro e nanoescala, onde as forças da área da superfície dominam as forças inerciais.

A origem do atrito cinético em nanoescala pode ser explicada pela termodinâmica. Ao deslizar, uma nova superfície se forma na parte de trás de um contato verdadeiro deslizante e a superfície existente desaparece na frente dele. Uma vez que todas as superfícies envolvem a energia de superfície termodinâmica, o trabalho deve ser gasto na criação da nova superfície e a energia é liberada na forma de calor na remoção da superfície. Assim, uma força é necessária para mover a parte de trás do contato e o calor de fricção é liberado na frente.

Ângulo de atrito, θ, quando o bloco começa a deslizar.

Ângulo de atrito

Para certas aplicações, é mais útil definir o atrito estático em termos do ângulo máximo antes do qual um dos itens começará a deslizar. Isso é chamado de ângulo de atrito ou ângulo de atrito. É definido como:

bronzeado⁡ ⁡ θ θ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =μ μ S- Sim. }=mu _{mathrm {s} }}

θ θ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =arctan⁡ ⁡ μ μ S{displaystyle theta =arctan {mu _{mathrm {s} }}}

θ θ - Sim.

Atrito no nível atômico

Determinar as forças necessárias para mover os átomos uns sobre os outros é um desafio no projeto de nanomáquinas. Em 2008, pela primeira vez, os cientistas conseguiram mover um único átomo através de uma superfície e medir as forças necessárias. Usando vácuo ultra-alto e temperatura quase zero (5 K), um microscópio de força atômica modificado foi usado para arrastar um átomo de cobalto e uma molécula de monóxido de carbono através de superfícies de cobre e platina.

Limitações do modelo de Coulomb

A aproximação de Coulomb decorre das suposições de que: as superfícies estão em contato atomicamente próximo apenas em uma pequena fração de sua área total; que essa área de contato é proporcional à força normal (até a saturação, que ocorre quando toda a área está em contato atômico); e que a força de atrito é proporcional à força normal aplicada, independentemente da área de contato. A aproximação de Coulomb é fundamentalmente uma construção empírica. É uma regra prática que descreve o resultado aproximado de uma interação física extremamente complicada. A força da aproximação é sua simplicidade e versatilidade. Embora a relação entre a força normal e a força de atrito não seja exatamente linear (e, portanto, a força de atrito não é totalmente independente da área de contato das superfícies), a aproximação de Coulomb é uma representação adequada do atrito para a análise de muitos sistemas físicos.

Quando as superfícies são unidas, o atrito de Coulomb se torna uma aproximação muito ruim (por exemplo, a fita adesiva resiste ao deslizamento mesmo quando não há força normal ou uma força normal negativa). Neste caso, a força de atrito pode depender fortemente da área de contato. Alguns pneus de corrida de arrancada são adesivos por esse motivo. No entanto, apesar da complexidade da física fundamental por trás do atrito, as relações são precisas o suficiente para serem úteis em muitas aplicações.

"Negativo" coeficiente de fricção

A partir de 2012, um único estudo demonstrou o potencial para um coeficiente de atrito efetivamente negativo no regime de baixa carga, o que significa que uma diminuição na força normal leva a um aumento no atrito. Isso contradiz a experiência cotidiana em que um aumento na força normal leva a um aumento no atrito. Isso foi relatado na revista Nature em outubro de 2012 e envolveu o atrito encontrado por uma caneta de microscópio de força atômica quando arrastada por uma folha de grafeno na presença de oxigênio adsorvido por grafeno.

Simulação numérica do modelo de Coulomb

Apesar de ser um modelo simplificado de atrito, o modelo de Coulomb é útil em muitas aplicações de simulação numérica, como sistemas multicorpos e material granular. Mesmo sua expressão mais simples encapsula os efeitos fundamentais de aderência e deslizamento que são necessários em muitos casos aplicados, embora algoritmos específicos tenham que ser projetados para integrar numericamente eficientemente sistemas mecânicos com atrito de Coulomb e contato bilateral ou unilateral. Alguns efeitos bastante não lineares, como os chamados paradoxos de Painlevé, podem ser encontrados com o atrito de Coulomb.

Atrito seco e instabilidades

A fricção seca pode induzir vários tipos de instabilidades em sistemas mecânicos que apresentam um comportamento estável na ausência de fricção. Essas instabilidades podem ser causadas pela diminuição da força de atrito com o aumento da velocidade de deslizamento, pela expansão do material devido à geração de calor durante o atrito (as instabilidades termoelásticas), ou por efeitos dinâmicos puros do deslizamento de dois materiais elásticos (os fenômenos de Adams –Instabilidades de Martins). Estas últimas foram originalmente descobertas em 1995 por George G. Adams e João Arménio Correia Martins para superfícies lisas e mais tarde foram encontradas em superfícies rugosas periódicas. Em particular, acredita-se que as instabilidades dinâmicas relacionadas ao atrito sejam responsáveis pelo guincho do freio e pela 'música' de uma harpa de vidro, fenômenos que envolvem aderência e deslizamento, modelados como uma queda do coeficiente de atrito com a velocidade.

Um caso praticamente importante é a auto-oscilação das cordas de instrumentos de arco como violino, violoncelo, sanfona, erhu, etc.

Foi descoberta uma conexão entre fricção seca e instabilidade de flutter em um sistema mecânico simples, assista ao filme Archived 2015-01-10 na Wayback Machine para mais detalhes.

Instabilidades de fricção podem levar à formação de novos padrões auto-organizados (ou "estruturas secundárias") na interface deslizante, como tribofilmes formados in-situ que são utilizados para a redução de atrito e desgaste nos chamados materiais autolubrificantes.

Atrito de fluido

A fricção de fluido ocorre entre camadas de fluido que se movem uma em relação à outra. Essa resistência interna ao fluxo é denominada viscosidade. Em termos cotidianos, a viscosidade de um fluido é descrita como sua "espessura". Assim, a água é "fina", tendo uma viscosidade mais baixa, enquanto o mel é "grosso", tendo uma viscosidade mais alta. Quanto menos viscoso o fluido, maior sua facilidade de deformação ou movimento.

Todos os fluidos reais (exceto superfluidos) oferecem alguma resistência ao cisalhamento e, portanto, são viscosos. Para fins didáticos e explicativos, é útil usar o conceito de fluido invíscido ou fluido ideal que não oferece resistência ao cisalhamento e, portanto, não é viscoso.

Atrito lubrificado

A fricção lubrificada é um caso de fricção de fluido em que um fluido separa duas superfícies sólidas. A lubrificação é uma técnica empregada para reduzir o desgaste de uma ou ambas as superfícies próximas, movendo-se uma em relação à outra, interpondo uma substância chamada lubrificante entre as superfícies.

Na maioria dos casos, a carga aplicada é transportada pela pressão gerada dentro do fluido devido à resistência viscosa de fricção ao movimento do fluido lubrificante entre as superfícies. A lubrificação adequada permite uma operação contínua e suave do equipamento, com desgaste leve e sem tensões excessivas ou engripamentos nos mancais. Quando a lubrificação falha, o metal ou outros componentes podem se esfregar de forma destrutiva, causando calor e possivelmente danos ou falhas.

Atrito da pele

A fricção da pele surge da interação entre o fluido e a pele do corpo, e está diretamente relacionada à área da superfície do corpo que está em contato com o fluido. O atrito superficial segue a equação de arrasto e aumenta com o quadrado da velocidade.

O atrito da pele é causado pelo arrasto viscoso na camada limite ao redor do objeto. Existem duas maneiras de diminuir o atrito da pele: a primeira é moldar o corpo em movimento para que seja possível um fluxo suave, como um aerofólio. O segundo método é diminuir o comprimento e a seção transversal do objeto em movimento tanto quanto possível.

Atrito interno

O atrito interno é a força que resiste ao movimento entre os elementos que compõem um material sólido enquanto ele sofre deformação.

A deformação plástica em sólidos é uma mudança irreversível na estrutura molecular interna de um objeto. Esta mudança pode ser devido a uma (ou ambas) uma força aplicada ou uma mudança na temperatura. A mudança na forma de um objeto é chamada de tensão. A força que o causa é chamada de tensão.

A deformação elástica em sólidos é uma mudança reversível na estrutura molecular interna de um objeto. O estresse não causa necessariamente mudanças permanentes. À medida que a deformação ocorre, as forças internas se opõem à força aplicada. Se a tensão aplicada não for muito grande, essas forças opostas podem resistir completamente à força aplicada, permitindo que o objeto assuma um novo estado de equilíbrio e retorne à sua forma original quando a força for removida. Isso é conhecido como deformação elástica ou elasticidade.

Atrito de radiação

Como consequência da pressão leve, Einstein em 1909 previu a existência de "fricção de radiação" que se oporia ao movimento da matéria. Ele escreveu: “a radiação exercerá pressão em ambos os lados da placa”. As forças de pressão exercidas nos dois lados são iguais se a placa estiver em repouso. No entanto, se estiver em movimento, mais radiação será refletida na superfície que está à frente durante o movimento (superfície frontal) do que na superfície traseira. A força de pressão de ação inversa exercida na superfície frontal é, portanto, maior do que a força de pressão atuando na parte de trás. Assim, como resultante das duas forças, resta uma força que contraria o movimento da placa e que aumenta com a velocidade da placa. Chamaremos isso de 'atrito de radiação' em resumo."

Outros tipos de fricção

Resistência ao rolamento

A resistência ao rolamento é a força que resiste ao rolamento de uma roda ou outro objeto circular ao longo de uma superfície causada por deformações no objeto ou superfície. Geralmente, a força de resistência ao rolamento é menor do que a associada ao atrito cinético. Os valores típicos para o coeficiente de resistência ao rolamento são 0,001. Um dos exemplos mais comuns de resistência ao rolamento é o movimento dos pneus de veículos motorizados em uma estrada, um processo que gera calor e som como subprodutos.

Atrito de frenagem

Qualquer roda equipada com um freio é capaz de gerar uma grande força de retardo, geralmente com o objetivo de desacelerar e parar um veículo ou peça de máquina rotativa. O atrito de frenagem difere do atrito de rolamento porque o coeficiente de atrito para atrito de rolamento é pequeno, enquanto o coeficiente de atrito para atrito de frenagem é projetado para ser grande pela escolha de materiais para pastilhas de freio.

Efeito triboelétrico

Esfregar materiais diferentes uns contra os outros pode causar acúmulo de carga eletrostática, o que pode ser perigoso se gases ou vapores inflamáveis estiverem presentes. Quando o acúmulo estático descarrega, explosões podem ser causadas pela ignição da mistura inflamável.

Atrito da correia

O atrito da correia é uma propriedade física observada a partir das forças que atuam em uma correia enrolada em uma polia, quando uma das extremidades está sendo puxada. A tensão resultante, que atua nas duas extremidades da correia, pode ser modelada pela equação de atrito da correia.

Na prática, a tensão teórica que atua na correia ou corda calculada pela equação de atrito da correia pode ser comparada com a tensão máxima que a correia pode suportar. Isso ajuda o projetista de tal equipamento a saber quantas vezes a correia ou corda deve ser enrolada em torno da polia para evitar que escorregue. Alpinistas e tripulações de vela demonstram um conhecimento padrão da fricção da correia ao realizar tarefas básicas.

Reduzindo o atrito

Dispositivos

Dispositivos como rodas, rolamentos de esferas, rolamentos de rolos e almofadas de ar ou outros tipos de rolamentos fluidos podem transformar o atrito de deslizamento em um tipo muito menor de atrito de rolamento.

Muitos materiais termoplásticos, como nylon, HDPE e PTFE, são comumente usados em rolamentos de baixo atrito. Eles são especialmente úteis porque o coeficiente de atrito cai com o aumento da carga imposta. Para melhorar a resistência ao desgaste, geralmente são especificados graus de peso molecular muito alto para rolamentos pesados ou críticos.

Lubrificantes

Uma maneira comum de reduzir o atrito é usar um lubrificante, como óleo, água ou graxa, que é colocado entre as duas superfícies, geralmente diminuindo drasticamente o coeficiente de atrito. A ciência da fricção e lubrificação é chamada de tribologia. A tecnologia de lubrificantes é quando os lubrificantes são misturados com a aplicação da ciência, especialmente para fins industriais ou comerciais.

A superlubricidade, um efeito recentemente descoberto, foi observada no grafite: é a diminuição substancial do atrito entre dois objetos deslizantes, aproximando-se do nível zero. Uma quantidade muito pequena de energia de atrito ainda seria dissipada.

Os lubrificantes para superar o atrito nem sempre precisam ser fluidos finos e turbulentos ou sólidos em pó, como grafite e talco; a lubrificação acústica realmente usa o som como lubrificante.

Outra forma de reduzir o atrito entre duas peças é sobrepor vibração em microescala a uma das peças. Isso pode ser uma vibração senoidal usada no corte assistido por ultrassom ou um ruído de vibração, conhecido como pontilhamento.

Energia de atrito

De acordo com a lei de conservação de energia, nenhuma energia é destruída devido ao atrito, embora possa ser perdida para o sistema em questão. A energia é transformada de outras formas em energia térmica. Um disco de hóquei que desliza para em repouso porque o atrito converte sua energia cinética em calor, o que aumenta a energia térmica do disco e da superfície do gelo. Como o calor se dissipa rapidamente, muitos dos primeiros filósofos, incluindo Aristóteles, concluíram erroneamente que objetos em movimento perdem energia sem uma força motriz.

Quando um objeto é empurrado ao longo de uma superfície ao longo de um caminho C, a energia convertida em calor é dada por uma integral de linha, de acordo com a definição de trabalho

E)h= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =∫ ∫ CFfREu...c(x))) Dx= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =∫ ∫ Cμ μ kFn(x))) Dx,{displaystyle E_{th}=int _{C}mathbf {F} _{mathrm {fric} }(mathbf {x})cdot dmathbf {x} =int _{ C}mu _{mathrm {k} } mathbf {F} _{mathrm {n} }(mathbf {x})cdot dmathbf {x}}

onde

• FfREu...c{displaystyle mathbf {F} _{mathrm {fric} }} é a força de atrito,
• Fn{displaystyle mathbf {F} _{mathrm {n} }} é o vetor obtido multiplicando a magnitude da força normal por um vetor unitário apontando contra o movimento do objeto,
• μ μ k{displaystyle mu _{mathrm {k} }} é o coeficiente de atrito cinético, que está dentro da integral porque pode variar de localização para localização (por exemplo, se o material muda ao longo do caminho),
• x(x) é a posição do objeto.

Energia perdida para um sistema como resultado do atrito é um exemplo clássico de irreversibilidade termodinâmica.

Trabalho de fricção

No referencial da interface entre duas superfícies, o atrito estático não funciona, porque nunca há deslocamento entre as superfícies. No mesmo referencial, o atrito cinético está sempre na direção oposta ao movimento e realiza trabalho negativo. No entanto, o atrito pode fazer um trabalho positivo em certos quadros de referência. Pode-se ver isso colocando uma caixa pesada sobre um tapete e puxando o tapete rapidamente. Nesse caso, a caixa desliza para trás em relação ao tapete, mas avança em relação ao referencial no qual o piso está estacionário. Assim, o atrito cinético entre a caixa e o tapete acelera a caixa na mesma direção em que ela se move, realizando um trabalho positivo.

O trabalho realizado pelo atrito pode se traduzir em deformação, desgaste e calor que podem afetar as propriedades da superfície de contato (até mesmo o coeficiente de atrito entre as superfícies). Isso pode ser benéfico como no polimento. O trabalho de fricção é usado para misturar e unir materiais, como no processo de soldagem por fricção. Erosão excessiva ou desgaste das superfícies deslizantes correspondentes ocorre quando o trabalho devido às forças de atrito atinge níveis inaceitáveis. Partículas de corrosão mais duras presas entre superfícies de contato em movimento relativo (fricção) exacerbam o desgaste das forças de fricção. Como as superfícies são desgastadas pelo trabalho devido ao atrito, o ajuste e o acabamento da superfície de um objeto podem se degradar até que ele não funcione mais adequadamente. Por exemplo, o desgaste ou falha do rolamento pode resultar de desgaste excessivo devido ao trabalho de fricção.

Aplicativos

O atrito é um fator importante em muitas disciplinas de engenharia.

Transporte

• Travões de automóveis dependem inerentemente de atrito, retardando um veículo, convertendo sua energia cinética em calor. Incidentalmente, dispersar esta grande quantidade de calor com segurança é um desafio técnico na concepção de sistemas de freio. Os freios de disco dependem de atrito entre um disco e as almofadas de freio que são espremidas transversalmente contra o disco rotativo. Em freios de tambor, sapatos de freio ou almofadas são pressionados para fora contra um cilindro rotativo (bateria de freio) para criar atrito. Uma vez que os discos de travagem podem ser mais eficientemente refrigerados do que os tambores, os freios de disco têm melhor desempenho de parada.
• A adesão ferroviária refere-se às rodas de aderência de um trem têm sobre os trilhos, ver a mecânica de contato Frictional.
• A escorregadia da estrada é um importante fator de design e segurança para automóveis
  • O atrito dividido é uma condição particularmente perigosa que surge devido a diferentes atritos em cada lado de um carro.
  • A textura da estrada afeta a interação de pneus e a superfície de condução.

Medição

• Um tribometer é um instrumento que mede atrito em uma superfície.
• Um profilograph é um dispositivo usado para medir a rugosidade da superfície do pavimento.

Uso doméstico

• A fricção é usada para aquecer e inflamar os matchsticks (fricção entre a cabeça de um matchstick e a superfície de rubbing da caixa de fósforo).
• Pads pegajosos são usados para evitar que o objeto deslize superfícies lisas, aumentando efetivamente o coeficiente de atrito entre a superfície e o objeto.