Frecarea statică este o forță care rezistă la mișcarea a două obiecte unul împotriva celuilalt atunci când obiectele sunt inițial în repaus. Un exemplu simplu este un bloc de lemn așezat pe o rampă – trebuie aplicată o forță pentru a face blocul să alunece pe rampă. Un alt termen, frecare cinetică, se aplică forței care se opune obiectelor care se mișcă deja unul împotriva celuilalt. Puterea acestor forțe poate fi calculată și este cunoscută sub numele de coeficient de frecare. În situații reale, coeficientul de frecare statică este aproape întotdeauna mai mare decât cel pentru cinetică, dar în experimente atent controlate, în care suprafețele obiectelor au fost curățate temeinic, cele două sunt în general aceleași.
De obicei, pe măsură ce forța aplicată unui obiect pe o suprafață crește, forța de frecare statică va crește inițial pentru a se potrivi cu ea, astfel încât obiectul să nu se miște. După un anumit punct, totuși, obiectul va începe să se miște, iar în acest moment, forța de frecare va scădea, astfel încât este necesară mai puțină forță pentru a menține obiectul în mișcare. De exemplu, forța de frecare poate fi egală cu forța aplicată până la 50 de newtoni – forța se măsoară în newtoni (N) – dar ulterior, poate scădea la 40 N. Prin urmare, este necesară o forță de puțin peste 50 N pentru a obține obiectul. în mișcare, dar după aceea, puțin peste 40 N va fi suficient.
Calcularea coeficientului
Coeficienții de frecare statică pot fi calculați pentru orice material solid sau pereche de materiale. Prin urmare, o valoare a coeficientului s-ar putea aplica pentru lemn pe lemn, oțel pe oțel sau oțel pe lemn. O modalitate de a calcula valoarea pentru o pereche de materiale este să plasați un bloc dintr-un material pe o rampă făcută din celălalt – pentru un singur material, blocul și rampa ar fi făcute din aceeași substanță. Panta pe rampă este crescută treptat, până când blocul alunecă în jos. Unghiul la care se întâmplă acest lucru poate fi apoi utilizat pentru a calcula coeficientul de frecare statică.
Coeficientul, atunci când este utilizat în formule și ecuații, primește simbolul μ – litera greacă mu. Un indice este de obicei folosit pentru a distinge cele două: μs indică frecare statică, în timp ce μk înseamnă frecare cinetică. De exemplu, μs pentru oțel pe oțel este 0.74, în timp ce μk pentru acest material este 0.57. Aceste valori sunt pentru situații tipice din viața reală și pot varia puțin, în funcție de circumstanțe. Deoarece valoarea μs poate fi afectată de neregularități ale suprafeței, murdărie și urme de alte substanțe, valoarea μk este considerată mai precisă și este cea dată de obicei atunci când este necesar un coeficient de frecare simplu.
Factori care afectează frecarea
O serie de factori contribuie la frecarea statică, dar de obicei cel mai important este rugozitatea suprafețelor. Chiar și atunci când sunt netezite, diferitele materiale vor varia în ceea ce privește detaliile fine ale suprafețelor lor. În termeni practici, nicio suprafață nu este complet netedă, dar unele vor avea nereguli mai mari decât altele. Diferența este evidentă, în unele cazuri: de exemplu, o cearșaf de mătase are o textură foarte netedă care creează mai puțină frecare, în timp ce un drum asfaltat uscat este grosier, generând mai multă rezistență la mișcare. Alți factori includ atracția electrostatică și tipurile de legături chimice slabe care se pot forma între suprafețe.
Exemple
Mulți oameni sunt familiarizați cu frecarea statică, deoarece o întâlnesc aproape zilnic; de exemplu, este la locul de muncă când cineva alunecă o carte pe o masă. Inițial, trebuie exercitată o mică forță pentru a face cartea să se miște, dar odată ce se mișcă, intră în joc frecarea cinetică și va fi nevoie de mai puțin efort pentru a o deplasa. Cantitatea de forță necesară poate varia în funcție de circumstanțe. De exemplu, dacă o carte are o copertă de bibliotecă pe ea și s-a umezit, cartea umedă va necesita mai multă forță pentru a se mișca, în timp ce o carte broșată nou-nouță ar putea aluneca foarte ușor pe o masă din lemn uscată cu o suprafață lăcuită.
Sunt disponibile tabele cu coeficienții de frecare statică și cinetică pentru multe materiale comune și combinații ale acestora. O valoare mai mare indică o frecare mai mare, astfel încât trebuie aplicată mai multă forță pentru a provoca mișcare. De exemplu, μs pentru aluminiu pe aluminiu este de 1.05 – 1.35, ceea ce este foarte mare, în timp ce valoarea pentru politetrafluoretilenă (PTFE) pe PTFE este de 0.04, ceea ce este extrem de scăzut și îl face foarte alunecos. Este dificil să împingeți o mașină oprită în mișcare din cauza frecării intenționate dintre anvelope și sol; acest lucru permite șoferului mai mult control și face ca mașina să deragă mai puțin.
Calcularea distanței de frânare
Un exemplu de aplicare a frecării statice este în calcularea distanței de rupere pentru o mașină la o viteză dată și în anumite condiții. În circumstanțe normale, când anvelopele se rotesc pe drum, se aplică frecarea statică, mai degrabă decât cinetică. μs pentru o anvelopă uscată pe un drum uscat este de aproximativ 1.00, în timp ce valoarea pentru o anvelopă udă pe un drum umed este de numai 0.2 – aceasta înseamnă că distanța de rupere va fi de cinci ori mai mare în condiții umed. În condiții uscate, o mașină care călătorește cu 31 mile pe oră (50 km/h) are o distanță de frânare de 33 de picioare (10 metri), în timp ce în condiții umede, distanța de frânare ar fi de 164 de picioare (50 de metri). Când anvelopele alunecă, mai degrabă decât se rostogolesc, de-a lungul suprafeței – așa cum ar putea fi cazul în condiții de gheață – este importantă frecarea cinetică.