Trabalho de investigação “Força de fricção e suas propriedades benéficas. Atrito Tipos de forças de atrito De que depende a força de atrito? Fricção em mecanismos e máquinas Fatos interessantes

Se de repente você quiser mover um objeto pesado, ficará óbvio que algo está bloqueando você. A força de atrito interferirá no movimento. Encontramos atrito a cada passo. No sentido literal da palavra. Mais precisamente, não podemos dar um passo sem atrito, uma vez que as forças de atrito mantêm os nossos pés na superfície.

O atrito é consequência de vários motivos, mas dois deles são principais. Em primeiro lugar, as superfícies dos corpos são irregulares e as bordas irregulares de uma superfície aderem à rugosidade de outra. Este é o chamado atrito geométrico. Em segundo lugar, os corpos em atrito estão em contato muito próximo uns com os outros e seu movimento é influenciado pela interação das moléculas (fricção molecular).

Existem três tipos de atrito: atrito estático, atrito de deslizamento e atrito de rolamento.

Força de atrito estático - uma força que surge entre dois corpos em contato e impede a ocorrência de movimento relativo. Esta força deve ser superada para colocar dois corpos em contato em movimento um em relação ao outro.

Força de fricção deslizante - a força que surge entre corpos em contato durante seu movimento relativo.

Força de atrito de rolamento - chame a resistência que ocorre quando um corpo rola sobre a superfície de outro.

Obviamente, qualquer fenômeno tem prós e contras. E é estúpido dizer que o atrito não é necessário, por exemplo, porque as peças se desgastam. Mas como iríamos?

A seguir tentarei escrever os principais prós e contras, embora saiba de antemão que isso é difícil de fazer.

Sem atrito, os objetos escorregariam de nossas mãos e não conseguiríamos andar no chão, apenas deslizaríamos (ouso dizer, como caracóis).
O atrito é a principal, às vezes a única força que pode impedir um corpo em movimento.
O atrito evita que os fios se endireitem e que o tecido se desfaça em fios individuais.
Obtendo fogo de forma primitiva.

O atrito é um fator que transfere parte da energia transmitida ao sistema (por exemplo, vibração) em calor até que toda essa energia seja esgotada. Por exemplo, quando um balanço balança, ele irá parar mais cedo ou mais tarde se nenhuma ação for tomada.
O atrito estático é o principal obstáculo para mover um objeto pesado de seu lugar.
O atrito provoca diminuição do desempenho de peças e conjuntos de mecanismos, deterioração da qualidade das superfícies e, como consequência, uma diminuição acentuada da eficiência, em alguns casos, falha de peças e conjuntos ou mesmo de todo o mecanismo como um todo.

Percebo que essa divisão é puramente cotidiana. Qualquer sinal de mais pode ser transformado em menos e de menos em mais. Posso dizer com certeza que definitivamente não podemos viver sem atritos. Podemos dizer que isso nos atrapalha, mas não esqueçamos quantas vezes já ajudou. Nós simplesmente não pensamos sobre isso. E, provavelmente, valeria a pena, embora esta seja uma questão filosófica.

Se você acha que a lista está incompleta e gostaria de adicioná-la, dê suas sugestões nos comentários.

Você sabia que em 1500, o brilhante Leonardo da Vinci estava muito interessado em saber de que depende a força de atrito e o que ela representa? Os estranhos experimentos que ele conduziu causaram considerável surpresa entre seus alunos, e o que mais se poderia esperar de quem vê um cientista talentoso arrastando uma corda pelo chão, seja desenrolada em todo o seu comprimento ou bem enrolada. Estas e outras experiências semelhantes permitiram-lhe um pouco mais tarde (em 1519) concluir: a força de atrito que surge quando um corpo entra em contacto com a superfície de outro depende diretamente da carga (força de pressão), não depende da área de interação e é direcionado na direção oposta do lado do movimento.

Abrindo a fórmula

180 anos se passaram e o modelo de Leonardo foi redescoberto por G. Amonton, e em 1781, S. O. Coulomb deu-lhe sua formulação final em suas obras. O mérito desses dois cientistas é que eles introduziram uma constante física como o coeficiente de atrito, tornando possível derivar uma fórmula que pode ser usada para calcular a que é igual a força de atrito para um par específico de materiais em interação. Até agora é esta expressão

F t = k t x P, onde

P é a força de pressão (carga) e k t é o coeficiente de atrito, que migra de ano para ano para vários livros e manuais de física, e os próprios coeficientes são calculados há muito tempo e estão contidos em livros de referência de engenharia padrão. Parece que este fenómeno finalmente se tornou completamente claro, mas não foi o caso.

Novas nuances

No século XIX, os cientistas se convenceram de que a formulação proposta por Amonton e Coulomb não era universal e absolutamente correta, e a força de atrito não dependia apenas dos coeficientes e da carga aplicada. Além disso, há um terceiro fator – a qualidade do tratamento de superfície. Dependendo se for liso ou áspero, a força de atrito assumirá um valor diferente. Em princípio, isso é bastante lógico: mover um objeto deslizante é muito mais fácil do que mover um objeto com uma superfície irregular. E no final do século 19, novas conquistas surgiram no estudo da viscosidade, e ficou claro como atua a força de atrito nos líquidos. E embora a lubrificação de superfícies de atrito tenha sido utilizada desde o início da tecnologia, foi somente em 1886, graças a O. Reynolds, que surgiu uma teoria coerente dedicada à lubrificação.
Portanto, se for suficiente e não houver contato direto entre dois objetos, a força de atrito depende apenas de sua hidrodinâmica. E se não houver lubrificante suficiente, todos os três mecanismos são ativados: a força de Coulomb, a força de resistência viscosa e a força que o impede de se afastar. Você acha que essa teoria pôs fim ao estudo desse fenômeno? Isso mesmo, não. No limiar do século XX, descobriu-se que em baixas velocidades, na ausência de lubrificação, ocorre um efeito de faixa. Sua essência é que quando não há lubrificação, a força de resistência não diminui imediatamente da força inicial até o nível da força coulombiana, mas cai gradativamente à medida que a velocidade aumenta. No século XX, novas pesquisas nesta área trouxeram tantas informações novas que precisavam ser de alguma forma sistematizadas. Como resultado, surgiu toda uma ciência - a tribologia, que estuda como a força de atrito atua na natureza. Só nos EUA, o número de cientistas que trabalham nesta área ultrapassa mil pessoas e mais de 700 artigos são publicados anualmente sobre este tema em todo o mundo. Eu me pergunto o que mais coisas interessantes os cientistas poderão descobrir? Espere e veja!

Não vai - só vai,

Porque está gelado

Mas cai muito bem!

Por que ninguém está feliz?

Uma canção infantil tão ingênua à primeira vista - mas quanto ela contém se você olhar do ponto de vista físico! Afinal, é justamente nele que está contido o sistema de atitudes contraditórias em relação à notória força de atrito. Esta batalha constante, onde dois conceitos competem entre si – o dano e o benefício do atrito, nunca terá um vencedor. Afinal, o que é conveniente e benéfico para uma pessoa muitas vezes é exatamente o oposto para outra - ruim, como neste poema.

Você se lembra da história de Nikolai Nosov sobre o escorregador de gelo que os caras construíram no quintal? E quando todos saíram para almoçar, saiu aquele que não participou da construção. Ele tentou subir, mas só se machucou, mas não conseguiu subir. E o garoto adivinhou espalhar areia no gelo - ficou muito cômodo subir até o topo, mesmo no gelo! Assim, ao utilizar a areia para reforçar o espaço entre o gelo escorregadio e a sola, o menino percebeu que os benefícios do atrito possibilitam a superação de obstáculos.

Mas depois do almoço, as crianças saíram com cubos de gelo para se divertirem no escorregador. Mas não é assim: trenós não correm na areia! Para eles, essa situação virou para o outro lado, mostrando os malefícios do atrito.

Vemos casos semelhantes no inverno, quando os meninos abrem caminhos de gelo e correm por eles, percorrendo a distância em questão de minutos! E atrás deles, idosos mancam, escorregam em encostas cobertas de neve e caem, quebrando braços e pernas. Aqui estão novamente exemplos claros onde, no mesmo caso, coexistem danos e benefícios da força de atrito.

É para reduzir o atrito que os esquiadores lubrificam seus esquis com pomadas especiais para aumentar a velocidade durante o movimento. Os rinques usados por patinadores de velocidade ou patinadores artísticos são periodicamente regados e limpos, também para reduzir o atrito. Pelo contrário, os caminhos pedonais são polvilhados com areia ou cinza para que ninguém caia sobre eles. Alguns inventores e inovadores até tiveram a ideia de colar pedaços de lixa nas solas das botas e botas de inverno apenas para aumentar a força de atrito.

A mesma coisa acontece com as rodas dos carros. Não é nenhum segredo que, com o início do inverno, os motoristas “calçam” seus cavalos de ferro com “pneus de inverno” especiais. Caso contrário, sem força de atrito útil, o carro derrapa ao virar, derrapa e muitas vezes o motorista tem pouco controle. E cada um sabe por si mesmo como terminam os acidentes.

Estamos todos falando sobre o inverno, sobre o gelo e sobre a queda. Existem outros momentos da vida cotidiana em que você pode ver claramente como os danos e os benefícios do atrito competem entre si? Claro que sim! Eles estão em toda parte. Mesmo em nosso quarto com você.

Aqui, por exemplo, está um guarda-roupa enorme e pesado. Ele fica enraizado no local e não se move. E se a força de atrito desaparecesse repentinamente, o que poderia acontecer então? E essa coisa enorme se movia pela sala ao menor empurrão! E resta saber se teríamos conseguido evitá-lo a tempo. Boa força de atrito, útil!

Mas minha mãe decidiu reorganizar os móveis. E você precisa mover esse notório armário para outra parede. Um, dois, pegue! Três - quatro, aperte! Só que tudo acaba sendo inútil: quanto mais pesado o objeto, mais forte será a força de atrito sobre ele. Força horrível e desagradável!

Mais uma vez, eles competem entre si - os danos e benefícios do atrito. Não há necessidade de nenhuma competição! Você só precisa conhecer bem as leis físicas e ser capaz de obter benefícios práticos desse conhecimento. Não é necessário neste momento. Isto significa que deve ser reduzido: tornar as superfícies de contato mais lisas e escorregadias. Para isso, alguns aconselham espalhar sabão ou óleo no chão, enquanto outros colocam um pano úmido sob as pernas de um objeto pesado. E agora - um ou dois - e pronto! Eles moveram este colosso facilmente de seu lugar.

A força do atrito nos acompanha constantemente ao longo de nossas vidas, assim como em algum lugar ela nos incomoda e em algum lugar onde não podemos viver sem ela. Mas seja como for, ele existe, e nossa tarefa é aprender a usar as leis físicas para que nossa vida se torne mais cômoda e confortável.

Existem muitos fenômenos físicos no mundo que nos rodeia: trovões e relâmpagos, chuva e granizo, corrente elétrica, fricção... Nosso relatório de hoje é dedicado à fricção. Por que ocorre o atrito, o que isso afeta, de que depende a força do atrito? E, finalmente, o atrito é amigo ou inimigo?

O que é força de atrito?

Depois de correr um pouco, você pode correr ao longo do caminho gelado. Mas experimente fazer isso em asfalto normal. No entanto, não vale a pena tentar. Nada vai dar certo. O culpado do seu fracasso será uma força de atrito muito grande. Pela mesma razão, é difícil mover uma mesa enorme ou, digamos, um piano.

No ponto de contato de dois corpos, sempre ocorre interação, que impede o movimento de um corpo na superfície de outro. Chama-se atrito. E a magnitude desta interação é a força de atrito.

Tipos de forças de atrito

Vamos imaginar que você precise mover um armário pesado. Sua força claramente não é suficiente. Vamos aumentar a força de “cisalhamento”. Ao mesmo tempo, a força de atrito aumenta paz. E é direcionado na direção oposta ao movimento do gabinete. Finalmente, a força “cisalhadora” “vence” e o gabinete afasta-se. Agora a força de atrito entra em ação escorregar. Mas é menor que a força de atrito estático e é muito mais fácil mover o gabinete ainda mais.

Você, é claro, teve que observar como 2 a 3 pessoas empurram um carro pesado com o motor parado repentinamente. As pessoas que empurram o carro não são homens fortes, a força de atrito atua apenas nas rodas do carro rolando. Este tipo de atrito ocorre quando um corpo rola sobre a superfície de outro. Uma bola, um lápis redondo ou facetado, as rodas de um trem, etc. podem rolar. Este tipo de atrito é muito menor que a força de atrito de deslizamento. Portanto, é muito fácil movimentar móveis pesados se eles estiverem equipados com rodas.

Mas, neste caso, a força de atrito é direcionada contra o movimento do corpo, portanto, reduz a velocidade do corpo. Se não fosse por sua “natureza nociva”, tendo acelerado de bicicleta ou de patins, você poderia aproveitar o passeio indefinidamente. Pela mesma razão, um carro com o motor desligado se moverá por inércia por algum tempo e depois parará.

Então, lembre-se, existem 3 tipos de forças de atrito:

Fricção deslizante;
fricção de rolamento;
fricção estática.

A taxa na qual a velocidade muda é chamada de aceleração. Mas, como a força de atrito retarda o movimento, esta aceleração terá um sinal negativo. Seria correto dizer Sob a influência do atrito, um corpo se move com desaceleração.

Qual é a natureza do atrito

Se você examinar a superfície lisa de uma mesa polida ou de gelo através de uma lupa, verá pequenas rugosidades às quais se agarra um corpo deslizando ou rolando ao longo de sua superfície. Afinal, um corpo que se move ao longo dessas superfícies também possui saliências semelhantes.

Nos pontos de contato, as moléculas chegam tão próximas que começam a se atrair. Mas o corpo continua a se mover, os átomos se afastam uns dos outros, as ligações entre eles se rompem. Isso faz com que os átomos livres da atração vibrem. Aproximadamente como oscila uma mola livre de tensão. Percebemos essas vibrações das moléculas como aquecimento. É por isso o atrito é sempre acompanhado por um aumento na temperatura das superfícies de contato.

Isso significa que existem duas razões que causam esse fenômeno:

irregularidades na superfície dos corpos em contato;
forças de atração intermolecular.

De que depende a força de atrito?

Você provavelmente já notou a frenagem repentina de um trenó ao deslizar sobre uma área arenosa. E mais uma observação interessante: quando há uma pessoa no trenó, ela desce o morro em um sentido. E se dois amigos deslizarem juntos, o trenó irá parar mais rápido. Portanto, a força de atrito é:

depende do material das superfícies de contato;
além disso, o atrito aumenta com o aumento do peso corporal;
atua na direção oposta ao movimento.

A maravilhosa ciência da física também é boa porque muitas dependências podem ser expressas não apenas em palavras, mas também na forma de sinais especiais (fórmulas). Para a força de atrito fica assim:

Ftr = kN Onde:

Ftr - força de fricção.

k - coeficiente de atrito, que reflete a dependência da força de atrito do material e a limpeza de seu processamento. Digamos que se metal rola sobre metal k=0,18, se você patina no gelo k=0,02 (o coeficiente de atrito é sempre menor que um);

N é a força que atua no suporte. Se o corpo estiver sobre uma superfície horizontal, essa força será igual ao peso do corpo. Para um plano inclinado tem menos peso e depende do ângulo de inclinação. Quanto mais íngreme for o escorregador, mais fácil será deslizar e mais tempo você poderá pedalar.

E, calculando a força de atrito estático do gabinete usando esta fórmula, descobriremos que força precisa ser aplicada para movê-lo de seu lugar.

Trabalho da força de atrito

Se uma força atua sobre um corpo, sob a influência da qual o corpo se move, então o trabalho é sempre realizado. O trabalho da força de atrito tem características próprias: afinal, não provoca movimento, mas o impede. Portanto, o trabalho que realiza é será sempre negativo, ou seja, com um sinal de menos, não importa para que lado o corpo se mova.

O atrito é amigo ou inimigo

As forças de atrito nos acompanham por toda parte, trazendo danos tangíveis e... enormes benefícios. Vamos imaginar que o atrito desapareceu. Um observador surpreso veria como as montanhas desmoronariam, as árvores seriam arrancadas sozinhas do solo, os ventos de furacão e as ondas do mar dominariam infinitamente a terra. Todos os corpos deslizam para algum lugar, o transporte se desfaz em partes separadas, pois os parafusos não cumprem sua função sem atrito, um monstro invisível teria desatado todos os cadarços e nós, os móveis, não presos pelas forças de atrito, tem deslizou para o canto mais baixo da sala.

Vamos tentar escapar, fugir desse caos, mas sem atritos Não seremos capazes de dar um único passo. Afinal, é o atrito que nos ajuda a sair do chão ao caminhar. Agora está claro por que as estradas escorregadias ficam cobertas de areia no inverno...

E, ao mesmo tempo, às vezes o atrito causa danos significativos. As pessoas aprenderam a reduzir e aumentar o atrito, obtendo enormes benefícios disso. Por exemplo, as rodas foram inventadas para arrastar cargas pesadas, substituindo o atrito de deslizamento pelo rolamento, que é significativamente menor que o atrito de deslizamento.

Porque um corpo rolante não precisa capturar muitas pequenas irregularidades superficiais, como quando os corpos deslizam. Em seguida, as rodas foram equipadas com pneus com padrão profundo (rasgas).

Você notou que todos os pneus são de borracha e pretos?

Acontece que a borracha mantém bem as rodas na estrada, e o carvão adicionado à borracha confere-lhe a cor preta, a rigidez e a resistência necessárias. Além disso, em caso de acidentes na estrada, permite medir a distância de travagem. Afinal, ao frear, os pneus deixam uma marca preta nítida.

Se necessário, reduza o atrito, use óleos lubrificantes e lubrificante de grafite seco. Uma invenção notável foi a criação de diferentes tipos de rolamentos de esferas. Eles são usados em uma ampla variedade de mecanismos, desde bicicletas até aeronaves de última geração.

Existe atrito em líquidos?

Quando um corpo está parado na água, não ocorre atrito com a água. Mas assim que começa a se mover, surge o atrito, ou seja, A água resiste ao movimento de qualquer corpo nela contido.

Isso significa que a costa, criando atrito, “retarda” a água. E, como o atrito da água na margem diminui sua velocidade, não se deve nadar até o meio do rio, pois a corrente ali é muito mais forte. Os peixes e os animais marinhos são moldados de tal forma que a fricção dos seus corpos na água é mínima.

Os projetistas dão a mesma simplificação aos submarinos.

Nosso conhecimento de outros fenômenos naturais continuará. Vejo vocês novamente, amigos!

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A ciência

Cientistas europeus forneceram uma explicação moderna para a origem do atrito deslizante entre objetos sólidos. Apesar do atrito ser um dos fenômenos fundamentais da física aplicada moderna, Este fenômeno não deixou de ser estudado há muitos séculos.. Até os dias de hoje, acreditava-se que a resistência ao desgaste mecânico e a presença (ou ausência) de lubrificação líquida estavam entre os principais fatores que influenciam o atrito, mas as causas fundamentais do atrito de deslizamento permaneciam desconhecidas.

Lacey Makkonen, pesquisador sênior do Centro de Pesquisa Técnica da Finlândia, apresentou sua própria explicação sobre a origem do atrito deslizante entre objetos sólidos. Sua teoria confirma plenamente o fato que a magnitude do atrito também depende da chamada energia superficial dos materiais em questão. Além disso, o atrito tem um efeito significativo em muitos fenómenos que encontramos sempre (como, por exemplo, a absorção de energia).

O novo modelo termodinâmico de Makkonen é o primeiro desse tipo a quantificar o coeficiente de atrito dos materiais, levando em consideração a energia superficial dos materiais. O modelo, na verdade, mostra que o atrito ocorre quando os materiais entram em contato em nível nanoescala, resultante da formação de novas ligações em nível atômico. Esta teoria complementa a explicação da origem da força de atrito e da presença de aquecimento friccional durante o atrito seco. Também pode ser usado para calcular com mais precisão os coeficientes de atrito de combinações de diferentes materiais.

O modelo construído também permite controlar com maior precisão os processos de atrito, selecionando uma superfície específica de materiais ou através do uso de camadas lubrificantes, levando em consideração a presença de energia superficial entre eles. Vale ressaltar que esta teoria confirma a opinião de muitos físicos de que nas conhecidas tabelas com coeficientes de atrito nelas apresentados para diversos materiais (especialmente para os homogêneos) existem imprecisões perceptíveis.