DIETRO LE PAROLE

Attrito (prima parte)

L’attrito fa parte dell’esperienza comune di ciascuno di noi, ed è uno dei concetti fisici di più immediata comprensione, dato che si presenta sia nei fenomeni naturali sia artificiali. Spesso ci farebbe comodo eliminarlo, o quanto meno ridurlo, ma non mancano i casi in cui l’attrito si rivela estremamente utile.
Anzi, come vedremo, molti fenomeni relativi alla comunicazione e alla stessa vita sarebbero impossibili senza l’attrito nelle sue varie forme.
Anche stavolta le definizioni più significative di questa voce tratte da un dizionario della lingua italiana.

attrito  s.m., [voce dotta, dal latino attritu(m) ‘sfregamento’, da atterere ‘sfregare’ composto di ad e terere ‘sfregare’]

1. 1 Resistenza che incontra un corpo nel suo moto relativo a un altro corpo: attrito radente, volvente, misto.
2. (est.) Logorio, strofinio: si è assottigliato per l'attrito.
3. (fig.) Contrasto, dissidio: vi è fra loro un certo attrito per questioni d'interesse.

L’ultimo significato, largamente usato nel linguaggio comune, presenta una significativa analogia con il significato fisico riportato nella prima accezione. Quando si usano infatti espressioni come “situazione di attrito” fra persone, gruppi, etnie, nazioni ecc. si fa riferimento a contrasti, ostacoli che intercorrono fra due o più soggetti. Analogamente, l’attrito che viene studiato in fisica, e in particolare in meccanica (ma non solo) si riferisce a forze che ostacolano o impediscono il moto relativo di più corpi.
Cominciamo prendendo in esame alcune comuni esperienze che ognuno di noi può verificare nella vita di ogni giorno, e in cui un ruolo più o meno rilevante hanno i fenomeni di attrito.

1. Un oggetto è fermo sul pavimento. Se proviamo a spostarlo constatiamo immediatamente che esso presenta una certa resistenza a mettersi in moto. Si constata anche che tale resistenza, l’attrito,  è tanto maggiore quanto maggiore è il peso del corpo (spostare un armadio pieno è evidentemente più difficile che spostarne uno vuoto); inoltre l’attrito cambia (anche notevolmente) a seconda del tipo di superfici a contatto. Precisamente, esso dipende dalla natura dei materiali (l’attrito di legno su legno è ben maggiore di quello di acciaio su ghiaccio, ad esempio), dal grado di lavorazione delle superfici (un legno levigato tende a presentare una minore resistenza rispetto ad uno ruvido) e può essere notevolmente ridotto, come ben sanno di meccanici, utilizzando olio lubrificante.
2. Un altro fenomeno, in parte diverso, si ha quando un corpo è già in moto su una superficie. Qui ci accorgiamo che per tenerlo in moto dobbiamo continuare ad esercitare una forza; in caso contrario, se esso viene lasciato, fatalmente rallenta e si ferma, spesso in tempi molto brevi. Anche in questo caso giocano un ruolo essenziale i fenomeni di attrito, e ancora si constata che essi dipendono dal peso del corpo e dalla natura delle superfici.
3. Sempre a proposito del movimento di un corpo solido su una superficie, si constata con tutta evidenza che il caso di rotolamento si presenta mediamente più agevole rispetto allo strisciamento. Non è un caso se l’invenzione della ruota, che ha notevolmente favorito gli spostamenti non solo delle persone ma anche delle merci, è considerata fra le maggiori nella storia della civiltà, fino a diventare un’ovvietà. E c’è anche chi ritiene di aggiungere alle più geniali invenzioni il cuscinetto a sfera, classico esempio di utilizzo del moto rotatorio per favorire le traslazioni.
4. Un sasso cade dall’alto di una torre. Una piuma cade dall’alto della stessa torre. E’ esperienza comune constatare che i tempi e le modalità di caduta sono ben diverse, e in particolare la caduta della piuma, o di un corpo leggero come un largo foglio di carta, si presenta ben più disturbato dalla presenza dell’aria.
5. Un sasso cade in un recipiente pieno d’acqua. Qui occorre un minimo di attenzione per notare che in un primo momento il sasso accelera (non può essere altrimenti, dato che all’inizio era fermo!) e poi il suo moto appare sostanzialmente uniforme. Ancora più accentuato è il fenomeno se la caduta avviene in olio anziché in acqua.

Cerchiamo adesso di mettere un po’ di ordine in queste osservazioni sparse, cercando di individuare gli elementi comuni.
Nei primi due si ha strisciamento di una superficie su un’altra. Si nel caso in cui si cerchi di mettere in moto un corpo sia nel caso in cui si debba  mantenerlo in moto, si devono fare i conti con le resistenze incontrate al contatto fra le due superfici. A cosa sono dovute tali resistenze? Anche le superfici più levigate hanno in realtà, a livello macroscopico e in ogni caso a livello miscroscopico, delle irregolarità che rendono i corpi reali diversi dal modello studiato in geometria solida: una cosa è un cubo ideale, un altro un solido a forma di cubo con le irregolarità. Lo stesso vale, ovviamente, per la superficie su cui il corpo striscia. Al contatto fra queste due superfici si ha un gran numero di urti microscopici che ovviamente si oppongono al moto. Il complesso di questi urti è quello che, a livello macroscopico, viene percepito come attrito.
Questa interpretazione spiega molte cose.
Anzitutto si capisce perché, aumentando il peso del corpo, si hanno fenomeni di attrito più accentuati: infatti un maggior peso comporta una maggiore aderenza fra le due superfici e quindi, statisticamente, un più alto numero di urti. Spiega anche perché di norma mettere in moto un corpo in quiete è più difficile che mantenere in moto un corpo già in movimento (provate con un mobile e ve ne renderete conto…): la spiegazione è che durante il moto il corpo che sta strisciando aderisce meno alla superficie, mentre un corpo in quiete assume, microscopicamente, una maggior aderenza alla superficie sottostante, moltiplicando così gli urti microscopici che generano l’attrito.
Vale la pena prendere in esame le leggi che regolano questo tipo di attrito, detto radente, che si ha quando un corpo striscia su un altro. In particolare, nel caso 1) sopra esaminato si parla di attrito statico, e nel caso 2) di attrito dinamico, con evidente significato dei termini: il primo si oppone alla messa in moto del corpo, il secondo si oppone al moto di un corpo già in movimento.
Si nota anche che l’effetto di attrito è accentuato se alla forza peso si aggiunge una forza che preme i due corpi l’uno contro l’altro, mentre si ha un attrito minore se una forza tende a sollevare il corpo che sta strisciando, come si constata facilmente. Quello che determina l’attrito in sostanza non è la sola forza peso ma la risultante di tutte le forze perpendicolari alla superficie di contatto. In termini quantitativi, le leggi che descrivono i fenomeni di attrito radente sono le seguenti:

Un paio di figure ci aiuteranno a capire meglio le grandezze in gioco e a cogliere il senso di queste formule.

A sinistra vediamo uno schema relativo all’attrito radente di tipo statico. La forza normale è la risultante di tutte le forze che premono le superfici una contro l’altra (solitamente, come abbiamo detto, essa coincide con la forza-peso), la forza di attrito statico si oppone all’azione della forza attiva. Nel caso che abbiamo indicato, essendo la forza attiva (Fatt)  superiore a quella d’attrito, il corpo viene messo in moto.
A destra figura invece un corpo già in moto (indicato dalla presenza del vettore velocità). La forza di attrito dinamico, che si oppone sempre al moto, in assenza di forze attive, produce una decelerazione in grado di fermare, in tempi più o meno lunghi, il moto.
In entrambe le formule figura un coefficiente, denominato rispettivamente coefficiente statico e coefficiente dinamico, che dipende dalla natura delle superfici a contatto. Esso è, come risulta dalla analisi dimensionale delle formule, un numero puro, e assume per alcuni materiali i valori che indicativamente riportiamo di seguito.
Il senso di questi dati non è difficile da cogliere: maggiore è il coefficiente, più accentuati sono i fenomeni di attrito. Ad esempio un corpo di peso 500 N appoggiato su una superficie orizzontale presenta, nel caso di superficie acciaio su ghiaccio, una forza d’attrito di 20 N nel  caso statico d di 10 N nel  caso dinamico. E’ appena il caso di far notare i diversi valori dei coefficienti d’attrito relativi ad una gomma su asfalto asciutto e su asfalto bagnato.

Resta da chiarire il motivo del simbolo  che compare nella formula relativa all’attrito statico, mentre per l’attrito dinamico si ha un’uguaglianza (=). Perché questa differenza?
Nel caso del corpo in moto, l’attrito di manifesta comunque, indipendentemente dalla presenza di eventuali forze motrici o di altra natura, per cui si ha in ogni caso una forza di attrito dinamico che si oppone al moto. Invece l’attrito statico, ovviamente, si manifesta solo in presenza di una forza perturbatrice. La formula sopra riportata indica il valore massimo che la forza di attrito statico può assumere. Facciamo un esempio numerico relativo al caso legno-legno.
Se la forza normale è di 100 N, il valore massimo dell’attrito statico è di 50 N. Ciò significa che se la forza attiva è ad esempio di 70 N, essa è in grado di mettere in moto il corpo. Ma se la forza attiva è di soli 20 N, la forza d’attrito vale anch’essa 20 N, e il corpo resta in quiete. Se la forza attiva è assente, anche l’attrito non si manifesta e il corpo ovviamente non si muove.
Un breve accenno, in queste brevi considerazioni sull’attrito nel caso di corpi solidi, lo dedichiamo all’attrito volvente (relativo al rotolamento di un solido di una superficie) che dipende, oltre che dalla forza normale e dai materiali, anche dal raggio di curvatura del corpo rotolante, ed è in genere molto minore del corrispondente attrito radente.

A.C.