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ATTRITO VOLVENTE

DEFINIZIONE: l'attrito volvente(a) è la forza che si sviluppa fra due solidi a contatto in moto rotatorio relativo senza strisciamento (ruota su ruota o ruota su strada).

N.B.: L'attrito volvente puro non esiste poichè tutti i corpi sono deformabili, per cui l'attrito si sviluppa sempre su una superficie piana o quasi, e quindi è sempre accompagnato da quello radente.
APPLICAZIONE. L'applicazione più importante si ha nella trasmissione del moto con le ruote di frizione, sia frontali che periferiche. In questa applicazione è indispensabile che si verifichi uno strisciamento minimo, altrimenti si avrebbe una rapida usura(b) e le ruote diventerebbero inutilizzabili.
Nella figura qui sotto a sinistra F è la forza di attrito: il suo verso è tale da produrre momenti (azioni rotanti) opposti a quelli desiderati e quindi capaci di frenare la rotazione, oraria nella ruota superiore e antioraria in quella inferiore.
Poichè F è una forza occorre definire direzione, verso, punto di applicazione e modulo.
Direzione: tangente alla ruota nel punto di contatto;
Verso: tale da produrre momenti frenanti;
Punto di applicazione: baricentro della zona di contatto;
Modulo:

F = fv * Pn

dove Pn è la forza perpendicolare alla zona di contatto e fv è il coefficiente di attrito volvente.

Nella figura a destra è rappresentata la situazione reale che si ha fra ruota e strada: la ruota si deforma, per cui il punto di contatto diventa una superficie più o meno ampia. La reazione T = Pn si sposta da O in O' di una quantità b, nel verso del moto, in modo da produrre un momento resistente di attrito Mr = T * b che si oppone al rotolamento.
Chiamando F la forza(c) che produce l'avanzamento con velocità V, in condizioni di equilibrio(d), si ottiene:

F * r = T * b = Pn * b .

Ma, proprio per l'equilibrio, deve essere anche F = R (essendo R la forza d'attrito) e perciò si ottiene infine:

R * r = Pn * b;                R = Pn * b / r = fv * Pn

relazione che ci fornisce l'espressione del coefficiente di attrito volvente: fv = b / r il quale (vedi attrito radente):
1) dipende dalla natura dei materiali a contatto e dallo stato delle loro superfici;
2) dipende dalla velocità della massa: è più grande (anche il triplo: attrito di primo distacco) quando la velocità è piccola, poi è quasi costante sino alla velocità di 20 m / s, e infine tende a diminuire leggermente;
3) non dipende dalla ampiezza della superficie di contatto, a meno che non si tratti di una punta o di una lama.
Come si vede, l'attrito volvente è inversamente proporzionale al raggio r (e quindi al diametro) della ruota. Ciò significe che esso è tanto minore quanto maggiore è il diametro. Ma diametro maggiore significa anche inerzia maggiore (la forza di inerzia è proporzionale al quadrato del raggio!) e perciò occorre trovare un compromesso fra attrito e inerzia: nei trattori agricoli si preferiscono ruote grandi perchè sono lenti (e si vuole limitare l'usura), nelle automobili da corsa si preferiscono ruote piccole perchè devono accelerare rapidamente (e non ha importanza l'usura).
N. B. E' vero che l'attrito è un guaio quasi sempre, ma se non ci fosse non sarebbe possibile camminare nè a piedi nè in automobile: all'attrito si accoppia l'aderenza, che dipende dalla capacità della strada di non "disfarsi" in presenza della spinta delle ruote! Da questo punto di vista, se avessero le ruote rivestite di gomma, l'aderenza sarebbe maggiore e i treni potrebbero accelerare più in fretta e affrontare salite più ripide(e).

COEFFICIENTI DI ATTRITO: per l'attrito volvente (fv = R /Pn) si ha mediamente:
AUTOVEICOLI SU STRADA ORDINARIA

0,025 ¸ 0,035

AUTOVEICOLI SU STRADA ASFALTATA

0,025 ¸ 0,020

VEICOLI FERROVIARI SU ROTAIE

0,002 ¸0,003

(a) In latino "volvere" significa rotolare. In mecanica rotolare ha un significato ben preciso: si ha rotolamento quando, durante il moto, segmenti misurati su uno dei corpi sono uguali agli analoghi segmenti misurati sull'altro, cioè quando i corpi si "svolgono" della stessa lunghezza nello stesso tempo.

Supponiamo che la ruota c rotoli (senza strisciare) sulla strada s a partire dal punto O coincidente con il punto O'. Ciò si ottiene quando A va a coincidere con A', B con B', C con C', ecc. in modo che l'arco O-A sia uguale al segmento O'-A', A-B = A'-B', B-C = B'-C', ecc.
Fra ruota e strada possono verificarsi tre situazioni: 1) rotolamento puro come già definito; 2) strisciamento quando in successione A, B, C, ... vanno a coincidere con O' (ruota insabbiata); 3) slittamento quando in successione O va a coincidere con A', B', C', ... (ruota sul ghiaccio). Nei casi 2) e 3) è evidente che si tratta solo di attrito radente o di strisciamento. Nei casi reali piccoli strisciamenti si verificano sempre perchè la ruota, per esempio, si deforma diventando "piatta" nella zona di contatto; questo fenomeno è particolarmente importante nelle ruote di automobile un poco sgonfie, mentre è meno evidente nelle ruote dei treni che sono d'acciaio.
(b) Poichè l'usura non si può eliminare, quando è possibile si utilizzano le ruote dentate, con le quali la "certezza" del moto è maggiore.
(c) In realtà alla forza R deve essere sommata la resistenza dell'aria.
(d) In condizioni di equilibrio (moto uniforme) la somma delle forze e dei momenti deve essere uguale a zero. Se non fossero zero, il moto sarebbe accelerato.
(e) Nelle condizioni attuali i treni possono affrontare pendenze massime del 2 per mille e per frenare rapidamente devono versare sabbia sui binari in modo da far crescere l'attrito.