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Introduciamo anche l'attrito dinamico e chiediamoci quali sono le vere cause dell'attrito

Il primo principio della dinamica ci dice che se non si applicano forze esterne, un corpo persiste nel suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. Se il corpo è  fermo e vuole mantenere l'equilibrio, le forze esterne devono annullarsi, mentre se il corpo è in moto uniforme l'annullamento delle forze riesce a mantenerlo. Siamo di fronte a un equilibrio statico e a uno dinamico. Questi due possibili stati danno luogo proprio ai due tipi di attrito radente.

Se il corpo è appoggiato su una superficie, le forze in gioco sono due: la forza peso (e/o qualsiasi altra forza abbia lo stesso verso) e la reazione vincolare del pavimento. Nel momento in cui viene impressa una forza esterna, che cerca di causare uno strisciamento del corpo, nasce una forza, in verso uguale e contrario, che si oppone al moto. Più la forza impressa é grande e più aumenta la forza d'attrito che continua a controbilanciare (e quindi annullare) la forza impressa. In poche parole, il corpo vuole rimanere fermo, in equilibrio statico.

A un certo punto, però, l'attrito raggiunge il suo valore massimo e, se la forza riesce a superarlo, inizia il movimento e si perde l'equilibrio statico. L'uguaglianza tra forza impressa e massimo attrito è la condizione limite per mantenere ancora l'equilibrio.  Si entra in un regime differente, quello dinamico. In tali condizioni cambia il tipo di attrito che cerca di equilibrare la forza. Esso deve controbilanciarla in modo da mantenere un moto rettilineo uniforme. Questo attrito, però, ha un valore costante e quindi il tipo di moto risultante dipende dalla risultante di queste due forze: se essa è zero, ossia se la forza impressa è uguale e contraria alla forza di attrito, il corpo si muove di moto uniforme. Se l'attrito è superiore alla forza, il corpo è soggetto a una forza che contrasta il moto e quindi subisce una decelerazione; al contrario, se la forza supera la forza d'attrito il corpo è costretto ad accelerare.

In qualche modo, l'attrito statico che riesce a mantenere l'equilibrio si "adegua" alla forza che viene impressa al corpo: più questa aumenta e più la forza d'attrito cresce. Fino a un valore limite, quello in cui la forza impressa pareggia la forza d'attrito massima. L'attrito dinamico, invece, ha un valore costante e il tipo di moto dipende dalla forza impressa.

Vediamo il tutto nella Fig. 1 molto intuitiva che spiega molto bene il passaggio da un tipo di attrito all'altro.

Sull'asse delle ascisse mettiamo la forza che viene impressa al corpo e in ordinata l'attrito che ne risulta. Il primo tratto della curva è in salita, ossia all'aumentare della forza aumenta anche l'attrito che la controbilancia perfettamente: il corpo non si muove. Quando la forza arriva al valore massimo dell'attrito, il corpo è costretto a muoversi e perdere le condizioni di equilibrio statico. Improvvisamente il valore dell'attrito decresce e il corpo vorrebbe muoversi di moto rettilineo uniforme. Tuttavia, per mantenere questo nuovo tipo di equilibrio è necessario che la forza resti costante, dato che tale è anche la forza d'attrito. Se la forza diminuisse, l'attrito la supererebbe e il corpo inizierebbe a rallentare dato che l'equilibrio è stato rotto e si è creata una forza esterna che ostacola il moto (la risultante delle forze orizzontali non è nullo, ma è la differenza tra attrito e forza impressa, diretta in verso contrario al moto). Se, invece, la forza aumentasse, si creerebbe una forza esterna che causerebbe un'accelerazione del corpo, aumentandone la velocità.

Introduciamo anche la Fig. 2, molto schematica, che ripete le stesse conclusioni ma in modo leggermente diverso.

In ordinata abbiamo la forza esercitata sul corpo inizialmente fermo. In ascissa abbiamo il tempo. La forza all'inizio è nulla, poi inizia ad aumentare ma il corpo continua a non muoversi. Quando la forza arriva a un certo valore, che è proprio quello dell'attrito massimo, il corpo inizia a muoversi. Improvvisamente il coefficiente d'attrito diminuisce e basta una forza decisamente minore per mantenere l'equilibrio dinamico.

All'atto pratico, però, sia l'attrito statico che quello dinamico sono descritti da una formula identica (reazione vincolare per coefficiente di attrito) e i problemi si risolvono in modo del tutto simile. L'unica cosa che cambia è il coefficiente di attrito ove, però, il coefficiente di attrito dinamico è sempre minore di quello statico (massimo). Detto in parole molto semplici, è molto più facile spingere un corpo che è già in movimento che non non metterlo in moto. A riguardo, ricordiamo una celebre scena del film "Zanna Bianca". Il cane fa una fatica enorme a smuovere la slitta, ma appena ci riesce può anche permettersi di correre, il che vuol dire che la slitta in movimento si oppone alla forza del cane in modo nettamente minore. Possiamo infatti assumere che la forza del cane sia sempre la stessa.

Chiediamoci, infine: "Da cosa nasce l'attrito?" Beh... potremmo dire dal peso del corpo che si vuole spostare, o -ancora meglio- dalla somma delle componenti verticali che agiscono su di esso mantenendolo a contatto con il suolo. Il che vuole anche dire dalla reazione vincolare del suolo che è esattamente uguale ed opposta.

Questa, però, non è una spiegazione, ma solo una descrizione del fenomeno. In realtà il tutto avviene a livello microscopico tra le superfici di contatto del corpo e del pavimento. Esse non possono mai essere perfettamente lisce e quindi le due superfici presentano molti vuoti e un numero minore di punti veramente a contatto. Ne segue che il peso non si distribuisce su tutta la superficie, ma solo su pochi punti, dove la pressione diventa molto forte. Possiamo pensare addirittura che tra le zone che si toccano si formi una specie di "fusione fredda" che deve essere spezzata per dare il via al movimento.  Il vero contatto quindi non avviene su tutta la superficie apparente, cioè la superficie geometrica visibile ad occhio nudo, ma solo su una porzione molto più piccola costituita dalle rugosità microscopiche.

Se così fosse, o -almeno- se questo fosse l'unico meccanismo, due superfici eccezionalmente lisce dovrebbero aiutare lo scorrimento. E, invece, non sempre è così. Se prendete due pezzi di vetro, una volta lisciati perfettamente, aumentano di molto l'attrito. Ciò dipende dal fatto che l’area di contatto effettiva è, adesso, costituita da tutta l’area apparente, non solo dalle zone di rugosità. Bisogna, quindi, scendere ancora di scala e avvicinarsi, addirittura, alla meccanica quantistica, dato che  avvengono interazioni di tipo elettromagnetico tra gli atomi o le molecole dei diversi materiali che vengono a contatto.  A questa categoria appartengono le interazioni di Van der Waals, che sono forze instaurate tra dipoli elettrici e possono essere sia attrattive che repulsive. Possono inoltre formarsi veri e propri legami chimici alla superficie dei punti di contatto, quando gli atomi dei due materiali si scambiano o mettono in comune elettroni.

Se in corpi sono in movimento è facile intuire che è più difficile instaurare legami di tipo frenante ed ecco che il coefficiente di attrito diminuisce. Tuttavia, questa è una spiegazione un po' di comodo, dato che una descrizione completa delle cause non  è ancora stata raggiunta e gioca un ruolo determinante anche la temperatura che cresce con lo strofinamento.

Per il nostro livello, però, penso che questa spiegazione semplificata possa bastare...

Si può fare di meglio? Sicuramente sì e non per niente l'uomo ha inventato la ruota.