Analisar força de atrito quando um objeto apoiado numa superfície está parado ou na iminência de movimento.

 Relacionar força de atrito com a força normal à superfície de apoio.

 Justificar porque um bloco pode ficar em repouso quando apoiado numa rampa.

   Movimento uniforme, Movimento Uniformemente Variado, Leis de Newton, Vetores.

Atividade I

          Inicialmente sugerimos que o professor proponha a seguinte situação para a turma: uma pessoa ao entrar em sua casa percebe que um caixote se encontra bem no meio do corredor, tornando incômoda sua passagem. A pessoa então precisa retirar o caixote do lugar colocando-o próximo da parede, mas o caixote está muito pesado e ela não consegue erguê-lo. Se fosse você o que faria para retirar o caixote e colocá-lo junto à parede?

         O que se espera é que vão dizer que tentarão arrastar ou empurrar o caixote. O professor então, nesse momento deve perguntar para a turma. Ao empurrar o caixote haverá alguma força contrária àquela que a pessoa faz, ou seja, mesmo se for uma pequena força, o caixote vai movimentar-se? Se necessário altera a pergunta.

         Por que uma força muito pequena pode não ser suficiente para que o caixote entre em movimento?

         Se não mencionarem que é devido ao atrito, o professor então deverá explicar que uma pequena força pode não ser suficiente para colocar o caixote em movimento porque ao empurrar o caixote, aparecerá uma força em sentido contrário a força exercida pela pessoa, força de atrito.

         A força de atrito aparece entre duas superfícies em contato quando uma move-se em relação à outra ou quando uma tende a se mover em relação à outra. Quando há movimento relativo entre as superfícies, o atrito é dito cinético ou dinâmico e quando não há movimento entre as duas superfícies o atrito é denominado de atrito estático, que é o assunto de nossa aula.

Atividade II

         O esquema da Figura 01 mostra um bloco apoiado num plano horizontal, como no exemplo do caixote citado acima. Nele atuam quatro forças, o peso do bloco p e a força de reação normal F_N se anulam, pois ambas tem a direção vertical, mesmo módulo e sentidos opostos. As outras duas forças é a força F que empurra o bloco e a força f_e que se opõe a F. A força f_e é a força de atrito estático, o bloco está parado, f_e tem mesmo valor de F, F = f_e, representados por vetores em vermelho, esses vetores têm mesmo tamanho e sentidos contrários.

        Na Figura 02 está representado um bloco apoiado sobre uma mesa sendo puxado por um fio fixo no bloco e que passa por uma polia, em três momentos distintos A, B e C. As forças peso do bloco e a reação normal da superfície da mesa sobre o bloco não estão representados no esquema, estas se anulam como no esquema da Figura 01. No momento A, o bloco está parado e uma força de tração T no fio puxa o bloco, nesse momento atua uma força de atrito entre as superfícies do bloco e da mesa. O bloco permanece parado a força de atrito é atrito estático.

         Em A o contrapeso tem valor igual a T₁, o bloco permanece parado, então a força de atrito, é a força de atrito estático fe cujo módulo é T₁. Aumentando o valor do peso, fe também aumenta de modo a permanecer, f_e = T, mas esse valor tem um limite. O valor de fe varia de zero quando T é nulo, nenhum peso no barbante, e seu valor aumenta acompanhando o valor de T, até um valor limite quando f_e atinge seu valor máximo, denominado de força de atrito estático máximo, f_eM.

        No momento B, o bloco se encontra na iminência de movimento. A força de atrito então atingiu seu valor máximo, f_eM, e qualquer acréscimo no valor de T₂ o bloco entrará em movimento.

        Após essa análise, o professor deve informar que o valor da força de atrito estático máximo é determinado algebricamente através da expressão: f_eM = u_e.F_N, em que f_eM é a força de atrito estático máximo, u_e é o coeficiente de atrito estático, e F_N é a força que comprime as duas superfícies de contato, seu valor é igual ao valor da reação normal da superfície de apoio sobre o peso do bloco.

                    Em C, houve um pequeno acréscimo nos pesos da extremidade do fio e, portanto um pequeno acréscimo no valor da tração T₂. Neste caso a tração T₃ é maior que a força de atrito estático máximo, o bloco entra em movimento, e a força de atrito passa ser força de atrito dinâmico, cujos detalhes não serão analisados nessa aula.

        Atividade III

          A Figura 03 mostra um bloco apoiado sobre a superfície de um plano inclinado. Pergunte a turma: por que o bloco não desce o plano? Nesse ponto da aula, já despertaram pela força de atrito e deverão dizer que é por causa da força de atrito estático. Antes de maiores detalhes, o professor deverá mostrar através de um desenho ou usando a Figura 03, as componentes do peso do bloco p_y e p_x nas direções perpendicular e paralela à superfície do plano, respectivamente. O ângulo â, é o ângulo de inclinação do plano. O ângulo formado entre a direção perpendicular à superfície do plano e a direção vertical, direção do peso, é igual ao ângulo â de inclinação do plano. “Dois ângulos agudos, cujos lados são perpendiculares entre si, são iguais”. Logo, pela definição de seno e co-seno,  p_y = p.cosâ e p_x  = p.senâ. A força de reação normal ao peso é F_N. Como não há movimento na direção Normal à superfície do plano, então F_N = p_y. E na direção paralela a superfície do plano, estando o bloco parado, f_e = p_x. Se o bloco estiver na iminência de movimento, a força de atrito é igual à força de atrito estático máximo, f_eM = p_x. E pela expressão já conhecida, f_eM = u_e.F_N ou seja,  f_eM = u_e.p.cosâ.

        Pela expressão da força de atrito estático máximo, verifica-se que ela depende do valor da força de compressão normal entre as superfícies de contato, independe da área de contato, mas depende também do valor do coeficiente de atrito estático, que é uma constante característica da natureza das superfícies. Sendo as superfícies ásperas, apresentam irregularidades microscópicas que se encaixam umas nas outras dificultando o deslizamento entre elas, aumentando o valor do coeficiente de atrito. Superfícies lisas de uma maneira geral têm coeficiente de atrito menor que das superfícies ásperas. Portanto, o polimento diminui o atrito, porém existe um limite quando os átomos das superfícies se aproximam muito e a força de aderência devido à atração entre partículas passa a aumentar o valor do coeficiente de atrito.

Atividade IV

        Nesse momento da aula pergunte para os alunos:

       A fim de fazer menos esforço ao torcer um parafuso, o profissional costuma lubrificar o parafuso com óleo. Como justifica a ação do profissional?

        Se as superfícies forem ásperas, muito rugosas, a força de atrito entre elas é grande porque as irregularidades podem favorecer o aparecimento de vários pontos de aderência, sendo grande o coeficiente de atrito entre elas. No esquema abaixo, Figura 04, o desenho é uma representação ampliada de duas superfícies ásperas, com finalidade apenas didática.

     O gráfico da Figura 05 representa a variação da força de atrito estático com a força motora que tende iniciar o movimento. A força de atrito estático varia linearmente com a força motora até atingir seu valor limite f_eM e a partir desse valor inicia-se o movimento, o atrito passa a ser o atrito dinâmico ou cinético f_c linha vermelha pontilhada (f_c < f_eM), ou seja, u_c < u_e, para um mesmo par de superfícies .

        Sugerimos ao professor que se possível apresente para a turma os filmes sobre força de atrito do Novo Telecurso, ensino médio de física, aula 10, primeira e segunda parte, que estão disponíveis na internet, segundo endereços abaixo. São vídeos bastante instrutivos com uma excelente didática, e o tempo de duração é relativamente curto, com certeza vão enriquecer sua aula e será um bom aditivo para reforçar ainda mais a assimilação do assunto pela turma.

 Novo Telecurso - Ensino Médio - Física - Aula 10 (1 de 2): 6 min 54 s

 http://www.youtube.com/watch?v=LCps5xz569I&feature=related 

  Novo Telecurso - Ensino Médio - Física - Aula 10 (2 de 2): 7 min e 42 s

http://www.youtube.com/watch?v=bnx9hOEGxEk&feature=related   

         Outro filme que o professor também pode acessar, bastante interessante, está disponível na internet no seguinte endereço:

 Força de atrito – flavioscunha: 9 min e 21 s

http://www.youtube.com/watch?v=PDRPKxf0bYk   

        O professor deverá elaborar exercícios para a turma resolver envolvendo conhecimentos da aula.

         Exemplo:

         _Um bloco pesa 2000 N e está apoiado em uma mesa. Sendo o coeficiente de atrito estático ente a mesa e o bloco, u_e = 0,40, qual o esforço mínimo para fazer com que o bloco começa a escorregar na mesa?

         _Um caixote de madeira se encontra num plano inclinado cujo coeficiente entre bloco e plano é 0,50. Qual deveria ser o ângulo de inclinação máximo sem que o bloco escorregue?