Forças de Atrito

Uma pequena esfera de aço é abandonada num recipiente contendo glicerina. A velocidade de queda da esfera cresce até um valor máximo e então permanece constante. Além do peso, atua sobre a esfera o empuxo e a força de resistência devido ao fluido. Um impulso faz uma moeda deslizar sobre uma mesa. A velocidade em relação à mesa diminuí até zero. A aceleração da moeda tem sentido contrário ao de sua velocidade e é causada pela força de atrito cinético devido à superfície da mesa. Sobre uma caixa em repouso sobre o chão aplica-se uma força horizontal de pequena intensidade. A caixa não se move. Além dessa força atua, na horizontal, a força de atrito estático. Um cilindro rola sem deslizar (rolamento puro) sobre uma mesa. A sua velocidade em relação à mesa diminui até zero. A aceleração do cilindro tem sentido contrário ao de sua velocidade e é causada pela força de atrito de rolamento.

As forças de atrito consideradas no primeiro exemplo (força de atrito viscoso ou força de resistência), no segundo exemplo (força de atrito cinético ou força de atrito de deslizamento) e no quarto exemplo (força de atrito de rolamento), que existem porque existe movimento relativo entre os corpos considerados, estão associadas à dissipação de energia mecânica. A força de atrito considerada no terceiro exemplo (força de atrito estático ou de aderência) não estáassociada à dissipação de energia mecânica porque ela não realiza trabalho e só existe se as superfícies em contato tendem a se mover uma em relação a outra. As forças de atrito estático e cinético estão associadas a superfícies secas. Caso contrário, a força de atrito teria, também, o caráter do atrito viscoso.

Força de Atrito Viscoso

A força de resistência que aparece durante o movimento de um corpo em um fluido depende da forma do corpo, da sua velocidade em relação ao fluido e da viscosidade do fluido. Também entre duas superfícies em movimento relativo separadas por uma fina película contínua de fluido existe atrito viscoso. Nos dois casos, se o módulo da velocidade relativa é pequeno, o fluido se separa em camadas paralelas. Para entender a origem da viscosidade e, portanto, da força de resistência, consideremos duas placas planas e paralelas, com um fluido contínuo entre elas . Aplicando uma força F a uma das placas, ela é acelerada até atingir uma velocidade terminal constante, cujo módulo é proporcional ao módulo da força aplicada. O fluido entre as placas se separa em lâminas paralelas. A lâmina adjacente à placa móvel se move com ela, a lâmina seguinte se move com uma velocidade de módulo um pouco menor e assim por diante, até a lâmina adjacente à placa imóvel que, como ela, tem velocidade nula. A viscosidade vem da interação entre lâminas adjacentes. Cada lâmina é puxada para trás por uma força devida à lâmina inferior e para frente, por uma força devida à lâmina superior.

Num gás, como as forças de coesão não são efetivas porque as moléculas estão longe umas das outras, a viscosidade vem da transferência de quantidade de movimento entre camadas adjacentes. As moléculas que passam de uma camada a outra, que se move mais lentamente, transferem a ela uma quantidade de movimento maior do que a quantidade de movimento que as moléculas dessa camada transferem àquela ao cruzarem, em sentido contrário, a mesma fronteira. Assim, a velocidade da camada mais rápida diminui e a velocidade da camada mais lenta, aumenta, e a velocidade relativa diminui. A viscosidade dos líquidos vem das forças de coesão entre moléculas relativamente juntas. Desta maneira, enquanto que nos gases a viscosidade cresce com o aumento da temperatura, nos líquidos ocorre o oposto já que, com o aumento da temperatura, aumenta a energia cinética média das moléculas, diminui o intervalo de tempo que as moléculas passam umas junto das outras e menos efetivas se tornam as forças intermoleculares.

Forças de Atrito Seco

Os dados referentes às forças de atrito estático e cinético são muito aproximados, dependendo dos diferentes graus de polimento das superfícies e/ou dos diferentes graus de contaminação com substâncias estranhas. Esses fatores é que realmente determinam os coeficientes de atrito e a dependência da força de atrito cinético com a velocidade relativa das superfícies em questão. Assim, não tem sentido tabelar coeficientes de atrito entre superfícies diversas, a menos que elas sejam padronizadas. O atrito nunca é entre uma superfície de cobre e uma de alumínio, por exemplo, mas entre uma superfície de cobre com certo polimento e com algumas impurezas e uma superfície de alumínio com outro polimento e com outras impurezas. Para entender a origem das forças de atrito seco deve-se considerar que, ao nível atômico, as superfícies tem pequenas irregularidades e que o contato ocorre num número relativamente pequeno de pontos, onde as irregularidades se interpenetram e se deformam, exercendo forças mútuas cujas intensidades dependem da intensidade da força que empurra as superfícies uma contra a outra .  Nos pontos de contato existem ligações dos átomos de uma superfície com os átomos da outra, como soldas microscópicas.

Se uma força externa horizontal F é aplicada à superfície II, por exemplo, aparecem as forças horizontais fa, - fa, fb, - fb, fc, - fc, etc., associadas às deformações locais originadas pela tendência de movimento relativo entre as superfícies. Se as superfícies permanecem em repouso relativo, fa + fb + fc + ... é a força de atrito estático sobre a superfície II e - (fa + fb + fc + ...) é a força de atrito estático sobre a superfície I. Quanto maior for o módulo da força F, maiores são as deformações locais e maiores os módulos das respectivas forças. Se o módulo da força F é grande o suficiente para romper as soldas microscópicas nos pontos de contato, uma superfície desliza em relação à outra e, nesse movimento, as irregularidades de uma superfície colidem com as irregularidades da outra e as forças que surgem devido a essas colisões se somam para dar as respectivas forças de atrito cinético. As colisões originam oscilações locais que se propagam e são amortecidas pelo resto do material. Assim, a energia mecânica associada ao movimento relativo das superfícies se transforma em energia interna, aumentando suas temperaturas.

Força de Atrito de Rolamento

Um cilindro que rola sem deslizar sobre uma superfície horizontal termina por parar porque atua sobre ele a força de atrito de rolamento. Essa força depende das propriedades das substâncias de que são feitos o cilindro e a superfície horizontal. O cilindro e a superfície se deformam pela ação das forças de deformação mútuas, mas para o argumento que se segue vamos supor que apenas o cilindro se deforma . Se o cilindro está em repouso em relação à superfície, a cada força f que a superfície exerce sobre o cilindro, existe uma força f*, simétrica em relação ao plano vertical que passa pelo centro do cilindro. A resultante de todas essas forças é a força normal que, nesse caso, é vertical e está no plano mencionado.

Se o cilindro está em movimento em relação à superfície, a cada força f que a superfície exerce sobre o cilindro adiante do plano vertical que passa pelo centro do cilindro, existe uma força f*, atrás desse plano, de módulomenor. Essa diferença aparece porque a região do cilindro onde aparece a força f tem um movimento local no sentido de se aproximar da superfície e a região do cilindro onde aparece a força f* tem um movimento local no sentido de se afastar da superfície. Como a aceleração linear do cilindro é negativa, a resultante F de todas essas forças deve ser inclinada para trás, isto é, deve ter uma componente horizontal dirigida no sentido contrário ao da velocidade, e como a aceleração angular também é negativa, o ponto de aplicação dessa resultante deve estar situado a frente do plano vertical que passa pelo centro do cilindro e mais, a linha de atuação dessa resultante deve passar por cima do centro do cilindro. A componente vertical dessa resultante é a força normal e a componente horizontal, FR, é a força de atrito de rolamento.