Física I. Aula 04: Dinâmica da Partícula. Tópico 04: Força de Atrito. A força de atrito

Transcrição

1 Aula 04: Dinâmica da Partícula Tópico 04: Força de Atrito Desde que nossos antepassados começaram a conhecer e a utilizar o efeito do atrito entre duas superfícies, a vida na Terra começou a mudar. Isso mesmo, quando o homem das cavernas aprendeu a produzir e utilizar o fogo, sua vida nunca mais foi a mesma, a começar pelo seu modo de se alimentar. E você sabe como o homem das cavernas fazia fogo? Atritando objetos como pedras e gravetos. Não pense você que somente os homens das cavernas atritavam gravetos para fazer fogo. Quem já foi escoteiro sabe muito bem como fazer fogo utilizando o atrito entre duas superfícies. A força de atrito A placa ao lado é encontrada freqüentemente em lugares públicos, como um alerta para prevenção de acidentes. 1

2 Dúvida O que você faz quando vê um aviso desse? O que você faz quando precisa caminhar por um piso muito liso? Todo mundo sabe que se a superfície estiver lisa demais, é melhor caminhar com cuidado, dar passos pequenos para evitar quedas. Todo mundo faz isso sem saber que está utilizando a Física, no que diz respeito ao estudo da força de atrito. O estudo da força de atrito Imagine um bloco de massa m em repouso sobre uma mesa. Você que já aprendeu as 3 Leis de Newton, sabe agora que esse bloco tende a permanecer em repouso a menos que alguma coisa ou alguém, o coloque em movimento. Algo que atue para modificar o seu estado, no caso de repouso. Ou seja o bloco sofre a ação de uma força. Vale a pena ver de novo A força não é a condição para a existência do movimento. A força é a responsável pela variação do movimento. Você pode estar pensando: Espere um pouco! Todo mundo sabe que se eu empurrar uma caixa sobre uma mesa, ela só se movimenta enquanto eu estiver exercendo uma força sobre ela. Se eu parar de empurrá-la, ela vai parar. Foi a observação de fatos como esse que levou o filósofo grego Aristóteles a estabelecer a seguinte conclusão: Um corpo só permanece em movimento se estiver atuando sobre ele uma força. Essa idéia ficou em validade por muitos e muitos anos. Na verdade a interpretação de Aristóteles, foi formulada no século IV a.c. e foi aceita até o Renascimento (séc. XVII). De fato, até mesmo nos dia atuais, algumas pessoas ainda acreditam nisso. Você já viu nos tópicos anteriores desta aula que Galileu e depois Newton mostraram que segundo a propriedade da inércia, se um corpo está em repouso, ele tende a ficar em repouso. E se ele está em movimento ele tende a permanecer em movimento retilíneo uniforme. 2

3 Mas afinal, por que a caixa, de fato, termina parando? Antes de responder a esta pergunta, faça este exercício de imaginação: Suponha que o bloco e a mesa foram lixados até ficarem bem lisos. Você acha que vai precisar empurrar a caixa com a mesma força? Tenho certeza que você vai perceber que se aplicar a mesma força o bloco vai se deslocar por um espaço maior antes de parar. E se você passar um óleo lubrificante sobre a mesa, deixando-a ainda mais lisa, então o bloco deslizará por uma distância ainda maior. Já dá para desconfiar que o movimento do bloco sobre a mesa deve ter algo a ver com a natureza das duas superfícies que estão em contato. Tudo isso vai lhe dar uma idéia de porque o bloco pára. Ele pára devido à interação que existe entre sua superfície e a superfície da mesa. Essa interação é proveniente da aspereza das duas superfícies, que raspam uma na outra enquanto o bloco se move. Essa interação é o que chamamos atrito. A força que resulta dessa interação é a força de atrito Olhando de perto A força de atrito é uma força de oposição à tendência do escorregamento. Contato entre as superfícies Do ponto de vista microscópico, você pode explicar a força de atrito devido às irregularidades entre as duas superfícies que estão em contato. O mecanismo de contato entre as superfícies é, na realidade, muito complicado. Um modelo simples que pode explicar satisfatoriamente, ao nível desta disciplina, é admitir que a força de atrito é em última análise, o resultado das muitas forças que atuam entre os átomos das superfícies de contato dos dois corpos, quando existe a tendência de deslizamento de um sobre o outro. O contato entre as superfícies dá origem a pontos de aderência ou colagem (soldas, na verdade, microsoldas) entre elas. Essas microsoldas é que são responsáveis pela aderência e resistência ao escorregamento. Se as superfícies forem muito rugosas, a força de atrito é grande porque a rugosidade favorecerá o aparecimento de várias microsoldas. A figura abaixo ilustra um modelo das irregularidades entre as superfícies em contato. 3

4 Propriedades da força de atrito Enquanto o bloco não se desloca, a força de atrito é de módulo igual e sentido contrário à força aplicada. Se uma força F é aplicada a um corpo que repousa sobre uma superfície e o corpo não se move, então a componente da força paralela à superfície é igual e contrária à força de atrito; O módulo da força de atrito tem um valor máximo. Se o corpo começar a deslizar sobre a superfície, o valor da força de atrito diminui para um valor constante; 4

5 A força de atrito é proporcional à força normal que o plano exerce sobre o bloco. A força de atrito não depende da área das superfícies em contato. Se as microsoldas são a explicação para a existência da força de atrito, à primeira vista, podemos ser levados a dizer que quanto maior a área, mais pontos de microsoldas, portanto, maior a força de atrito. Entretanto, a experiência cotidiana diz que a força de atrito NÃO depende da área de contato. Veja a figura acima dois blocos A e B de superfícies planas e que consideramos de mesma massa. Veja que as áreas de contato dos objetos são bem diferentes. Se a massa é a mesma, o peso dos dois também é o mesmo. No entanto o bloco A, de maior área, terá seu peso mais distribuído pela superfície, enquanto que o de menor área terá seu peso mais concentrado. Este é o conceito de pressão que você estudará com detalhes em Física II. O bloco B de menor área, exercerá maior pressão sobre a superfície. Isso vai provocar maior interpenetração das superfícies ou microsoldas mais profundas. Já o bloco A, que tem área maior, vai ter mais pontos de microsoldas, mas por exercer uma pressão menor sobre a superfície, conseqüentemente resultará em uma menor interpenetração das superfícies ou microsoldas mais rasas. Donde se conclui que a resistência ao escorregamento será, na prática, a mesma para ambos os dois blocos, o que é comprovado pelas evidências experimentais. 5

6 Atrito Estático Uma força é aplicada, mas o bloco não se move. Quando a intensidade da força aplicada ultrapassa o valor da força de atrito estático máxima, o bloco entra em movimento. Parada Obrigatória O máximo valor da força de atrito estático é: onde: N é o módulo da força normal; é o coeficiente de atrito estático, uma constante adimensional, que depende das propriedades das superfícies em contato. Atrito cinético Depois que o corpo entra em movimento, a força de atrito diminui. Você vai concordar que manter o corpo em movimento é mais fácil do que fazer o movimento começar. A força de atrito nessa situação é chamada de força de atrito cinético. Parada Obrigatória A força de atrito cinético é: onde: N é o módulo da força normal; é o coeficiente de atrito cinético, uma constante adimensional. 6

7 Dicas Você sabia que as leis que regem as forças de atrito foram descobertas experimentalmente por Leonardo da Vinci ( ) 1? Mais tarde, Coulomb ( ), aquele mesmo que você vai ouvir falar muito quando estudar Eletricidade, também desenvolveu vários trabalhos experimentais sobre o atrito e estabeleceu a diferença entre atrito estático e atrito cinético. A força de atrito é extremamente importante em nossa vida. Sem ela, seria impossível você estar agora sentado lendo esse texto. Sem o atrito você escorregaria da cadeira. A força de atrito no cotidiano No caminhar Sem a força de atrito você não poderia andar, pois sem o atrito você não teria apoio para ficar de pé. Quando estamos parados e queremos começar a andar, nós fazemos uma força para trás no chão com nosso pé. De acordo com 3a lei de Newton, o chão reage com uma força de mesmo módulo e direção mas em sentido contrário e assim somos empurrados para a frente. Sem atrito escorregariámos e não conseguiríamos dar um passo. Quando a força de atrito é muito pequena, como acontece no caso do chão estar escorregadio, todo mundo sabe como fica mais difícil andar. Movimento dos veículos a motor Os pneus do carro empurram o chão para trás. A força de atrito que é sempre oposta à tendência do movimento, empurra o veículo para frente. Quando aplicamos o freio vale o mesmo raciocínio anterior e a força de atrito atua agora no sentido contrário ao do movimento do veículo como um todo. No jogo de futebol É devido à força de atrito que os jogadores de futebol usam chuteiras com cravos na sola. Isso aumenta o atrito da chuteira com a grama. Se a grama estiver molhada eles usam chuteiras com cravos ainda mais altos. E a luva do goleiro? Já pensou se a bola escorrega das mãos dele?. As luvas do goleiro tem regiões com ranhuras para aumentar o atrito e assim ficar mais fácil segurar a bola. Impedindo a derrapagem asfalto. É a força de atrito que impede a derrapagem nas curvas, isto é, o deslizamento dos pneus no Estrelas cadentes 1 7

8 Você já fez algum pedido a uma estrela cadente? Uma estrela cadente, apesar do nome, não tem nada de estrela. As estrelas cadentes são objetos, às vezes muito pequenos, que, ao entrar na atmosfera da Terra, se aquecem demasiadamente devido ao imenso calor causado pelo atrito com o ar. A energia liberada é tão grande que é possível enxergar a luminosidade a grandes distâncias. Chamamos esses objetos luminosos, erradamente, de estrelas; estrelas cadentes. Aquecimento por atrito Uma nave espacial ao retornar para a Terra sofre intensamente a ação do atrito com a atmosfera. O atrito causa um calor imenso, que poderia danificar a espaçonave e ser fatal para os astronautas. Por isso as aves espaciais são dotadas de estrutura adequada, feitas de materiais especiais para evitar a sua destruição no reingresso na atmosfera. Olhando de Perto A força de atrito sempre atua no sentido oposto à tendência ao movimento. Multimídia Para você entender a importância da força de atrito na segurança nas estradas, veja neste simulador virtual, onde você poderá realizar várias manobras e assistir aos seus efeitos. Exemplos Resolvidos Para você ir treinando na resolução dos exercícios, comece tentando resolver estes exemplos a seguir. Tente antes de ver a solução do problema. Caso não entenda alguma passagem de algum dos problemas, consulte o seu professor. Exemplo 1 Os blocos A e B representados na figura possuem massas de 3,0kg e 2,0kg, respectivamente. A superfície horizontal onde eles se deslocam apresenta um coeficiente de atrito cinético igual a 0,30 e são forças horizontais de intensidades respectivamente iguais a 30N e 10N, que atuam nos blocos. Considere g = 10m/s 2, determine: a. o módulo da aceleração do sistema b. a intensidade da força de contato entre A e B. 8

9 Resposta: 1,0 m/s 2 ; 18 N Solução a. Sistema é formado pelos blocos A e B. Para determinarmos a aceleração dos blocos, consideraremos o sistema como um único bloco C (A + B) como mostrado na figura abaixo: Veja que sobre o sistema atuam cinco forças, conforme mostra o esquema de forças: 9

10 Vamos agora aplicar a 2ª lei de Newton nas direções vertical e horizontal. Eixo y Como o bloco permanece sobre a superfície de apoio, a resultante das forças na vertical e zero: N = P C N = (m A + m B ). g Eixo x Pela 2ª lei de Newton, a intensidade resultante das forças na horizontal ( ) é igual a: b. Para resolvermos a segunda parte do problema, que pede a força de contato entre os blocos A e B, devemos isolar um dos blocos, por exemplo, o bloco B. Aplicando a 2ª lei de Newton na horizontal, temos: Como o bloco permanece sobre a superfície de apoio, a intensidade da força normal ( N B ) é igual ao peso: 10

11 Exemplo 2 Alguém tenta, sem êxito, empurrar um caixote aplicando uma força indicada no esquema A. A seguir, tenta aplicar uma força de mesma intensidade porém paralela à direção de movimento (esquema B), fazendo com que o bloco entre em movimento. Explique este fato. Solução Este fato pode ser explicado facilmente se lembrarmos que a intensidade da força de atrito estático máxima, entre a superfície de apoio e o bloco é diretamente proporcional à intensidade da força normal que a superfície exerce sobre ele. Vamos determinar a intensidade da força normal nos dois casos com ajuda do esquema de forças: 11

12 Esquema A Analisando as forças que atuam sobre o bloco na vertical (eixo y), devemos considerar além das forças normal (N) e peso (P), a componente (F y ) da força aplicada. F y = F. cos a Aplicando a 2ª lei de Newton nessa direção, concluímos que: N - P - F y = 0, já que o bloco não se move na vertical. Assim, N = P + F y, ou seja, Portanto, para colocarmos o bloco em movimento, devemos aplicar uma força superior à força de atrito estático máximo, que nesse caso tem intensidade igual a: Esquema B Nesse esquema, como a força aplicada é paralela à superfície de apoio, as únicas forças que atuam sobre o bloco na vertical são seu peso (P) e a força normal (N). Aplicando a 2ª lei de Newton e considerando que o bloco não se move na vertical, temos: N - P = 0, ou seja, N = m. g Assim, para colocarmos o bloco em movimento nesse esquema, devemos aplicar uma força paralela maior que a força de atrito estático máxima, que tem intensidade igual a: Conclusão Dois são os fatores que contribuem para que o bloco no esquema B tenha mais facilidade de locomoção em relação ao esquema A: I. A força de atrito estático é menor no esquema B; 12

13 II. A força aplicada na horizontal é maior no esquema B. Exemplo 3 Um jogador de massa m = 79 kg escorrega no campo e seu movimento é retardado por uma força de atrito f = 470 N. Qual é o coeficiente de atrito cinético entre o jogador e o campo? Resposta: 0,61 Solução Exemplo 4 Um armário de quarto com massa de 45 kg, incluindo gavetas e roupas, está em repouso sobre o assoalho. 13

14 a. Se o coeficiente de atrito estático entre o móvel e o chão for 0,45, qual a menor força horizontal que uma pessoa deverá aplicar sobre o armário para colocá-lo em movimento? b. Se as gavetas e as roupas, que têm 17 kg de massa, forme removidas antes do armário ser empurrado, qual a nova força mínima? Resposta: 200 N; 120 N Solução 14

15 Exemplo 5 Um trabalhador deseja empilhar um monte de areia, em forma de cone, dentro de uma área circular. O raio do círculo é R e nenhuma areia vaza para fora do círculo. Veja a figura abaixo. Se é o coeficiente de atrito estático entre a camada de areia da superfície inclinada e a camada imediatamente abaixo (sobre a qual a camada superior pode deslizar), mostre que o maior volume de areia que pode ser empilhado desta forma é: (O volume de um cone é A.h/3, onde A é a área da base e h é a altura do cone) 15

16 Solução 16

17 Exemplo 6 Uma caixa de 68 kg é puxada pelo chão por uma corda que faz um ângulo = 15º acima da horizontal. a. Se o coeficiente de atrito estático é 0,5, qual a tensão mínima necessária para iniciar o movimento da caixa? b. Se = 0,35, qual a sua aceleração inicial? Resposta: 304 N; 1,3 m/s 2 Solução 17

18 18 Física I

19 19 Física I