Meccanica del punto materiale/Forza d'attrito radente

Quando cerchiamo di spostare un mobile facciamo abbastanza fatica. È come se ci fosse una forza che si oppone alla nostra e che ci impedisce di spostare il mobile. Questa forza effettivamente esiste, è esercitata dal pavimento e si chiama forza di attrito radente. Essa contrasta lo scivolamento di una superficie sull'altra: si manifesta sia su un corpo fermo su cui è applicata una forza, sia su un corpo in movimento. Per tornare al mobile, immaginiamo di applicare una certa forza. Il mobile non si sposta. Applichiamo una forza più intensa. Il mobile ancora non si sposta. Spingiamo con tutte le nostre forze: il mobile inizia a muoversi. Quello che è successo è che siamo riusciti a vincere la cosiddetta forza di attrito statico massima. Più in generale, se una forza è applicata a un corpo inizialmente fermo, si osserva sperimentalmente che il corpo non si muove fino a quando la componente della forza parallela alla direzione dello spostamento desiderato non supera il valore critico:

$f_{as}=\mu _{s}N$

dove $\mu _{s}$ è il coefficiente di attrito statico e $N$ è la forza normale che agisce sul corpo. Quindi la forza di attrito statico non ha un valore fisso, ma assume di volta in volta lo stesso valore, in modulo, della forza applicata, fino al suo valore massimo. Una volta superato tale valore il corpo si muove e subentra la forza di attrito dinamico, che è costante per tutto il moto e vale:

$f_{ad}=\mu _{d}N$

dove $\mu _{d}$ è il coefficiente di attrito dinamico e $N$ è sempre la forza normale che agisce sul corpo. Il valore dei coefficienti dipende dalla natura delle superfici a contatto e sperimentalmente si verifica sempre la condizione:

$\mu _{d}\leq \mu _{s}$

Dunque una volta che abbiamo messo in moto il corpo, se vogliamo che si muova a velocità costante dovremo ridurre la forza che agisce su di esso, in modo che la risultante delle forze sia nulla.

Abbiamo detto prima che l'attrito è generato dal pavimento. Per la terza legge di Newton, anche il corpo in movimento esercita una forza sul pavimento uguale e contraria. Se il corpo si muove sul pavimento non ci interessa più di tanto questa forza di reazione, ma se il corpo si muove su una superficie mobile allora bisogna tenerne conto.

Per quanto detto finora, sembra che la forza di attrito radente sia sempre diretta in verso opposto alla direzione del moto del corpo. In realtà non è sempre così. Certo, se su un corpo in movimento agisce solo l'attrito radente dinamico, il corpo frenerà fino a fermarsi, e quindi qui l'attrito è una forza resistente. D'altro canto però, se vogliamo sollevare dal tavolo una bottiglia, priva di sporgenze o rientranze, è solo grazie all'attrito che riusciamo nell'intento. Se non ci fosse l'attrito la bottiglia ci scivolerebbe tra le dita. In questo caso l'attrito ha il ruolo di forza motrice. Questi esempi danno un'idea di quanto le forze di attrito siano presenti nella nostra vita quotidiana. È la forza di attrito che ci permette di camminare. Senza l'attrito, infatti, le suole delle nostre scarpe scivolerebbero e non potremmo fare un singolo passo. O ancora, è grazie all'attrito che possiamo effettuare una curva quando stiamo guidando. L'attrito radente permette anche ai corpi di rotolare. Se una biglia rotola fino a fermarsi, ciò non è dovuto all'attrito radente, ma al cosiddetto attrito volvente. Ne parleremo approfonditamente nel modulo sulla dinamica rotazionale.

Ci sono situazioni in cui un forte attrito è desiderabile e altre in cui si cerca di minimizzarlo. Per esempio, le scarpe di un arrampicatore sono costruite in modo da creare il più attrito possibile tra le suole e la roccia. Dall'altra parte, le forme aerodinamiche degli aerei sono progettate proprio per fendere l'aria e ridurre l'attrito con quest'ultima. È esperienza comune che è più difficile lanciare in avanti un foglio piuttosto che un aeroplanino.

L'attrito ha un'origine microscopica: è da ricercare nelle forze di coesione dei materiali. Anche una superficie apparentemente liscia presenta a livello microscopico innumerevoli asperità, che rendono appunto difficile lo scorrimento delle due superfici. Vincere la forza di attrito significa vincere le forze, di natura elettrostatica, esistenti tra gli atomi delle due superfici. L'attrito è quindi un fenomeno complesso, è la manifestazione macroscopica di fenomeni microscopici non prevedibili individualmente. Le due equazioni di cui abbiamo discusso sopra non hanno la pretesa di spiegare la complessità di tale fenomeno, ma semplicemente descrivono bene quello che osserviamo sperimentalmente.

Riassumendo, possiamo affermare che quando un corpo si muove su una superficie, la superficie interagisce con il corpo esercitando su di esso due forze: la forza normale e la forza di attrito.