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As forças superficiais, ou de contato, são essenciais para análise de sistemas mecânicos, elas se dividem em duas componentes: as forças normais e as de atrito.
A figura acima ilustra as forças superficias que atuam no sistema pé e solo . A força normal \(\vec{N}\) que atua no pé, é a componente ortogonal da força de reação à força que o pé faz no solo, \(\vec{N} = -\vec{F}_{p,s}^{\,\perp \, s} \) . Já a força de atrito \(\vec{F}_{at}\) , é a componente, paralela a superfície, da reação à força que o pé faz no solo, \(\vec{F}_{at} = -\vec{F}_{p,s}^{\,\parallel \, s}\) .
Forças normais
Uma componente da força que aparece no contato entre duas superfícies é a Normal , que é sempre perpendicular, ou ortogonal, a superfície de contato. Esta força pode ser entendida à luz da lei da ação e reação, pois quando um objeto empurra a superfície de um outro, este também será empurrado com uma força de mesma intensidade, na mesma direção mas em sentido contrário.
Características das forças normais
- Direção
- Sempre ortogonal, ou normal à superfície onde o sistema de interesse está em contato.
- Módulo
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O valor algébrico da força normal pode ser encontrado usando a segunda lei de Newton. No caso de um sistema de massa \(m\) se mover com aceleração \(a^{\, \perp \, s}\) perpendicular à superfície de contato \(s\) , a equação para força normal é:$$N + \sum_i^n F_i^{\, \perp \, s} = m \, a^{\, \perp \, s}.$$ onde \( F_i^{\, \perp \, s}\) são os \(n\) valores algébricos das componentes perpendiculares a superfície \(s\) das outras forças, além da normal, que atuam sob o sistema. Importante: nesta equação é preciso considerar o módulo da componente com o sinal algébrico que indica a sua direção, isto é, o valor algébrico. O superídice \((\perp \, s )\) é para chamar a atenção que no cálculo da força normal só se considera as forças e acelerações perpendiculares à superfície.
Forças de atrito
A força de atrito é a componente da força superficial que é tangente à superfície de contato. Ela se manifesta entre duas superfícies em contato onde esteja atuando uma força externa que tenha uma componente paralela à superfície. Esta força é dividida em dois casos:
- Atrito estático
- É a força que atua quando há uma força externa tentando gerar movimento entre as superfícies, mas não há movimento relativo entre as superfícies. O módulo máximo que o atrito estático pode assumir é: $$F_{at(e)} \le \mu_e N,$$ onde \(\mu_e\) é uma constate que depende dos tipos de materiais em contato, e \(N\) é a força normal no sistema. Note que a força de atrito estático varia desde zero até o valor máximo . Ela só terá seu valor máximo se a soma das componentes das forças que tendem a deslocar o objeto, sobre uma dada superfície, for igual a este valor máximo.
Para que seja possível segurarmos um objeto em um plano inclinado, é necessário que as forças de atrito estático tenham em conjunto a mesma intensidade da componente do peso paralela à superfície do plano (\( P^{\parallel s} = \sum F_{at(e)} \)), caso contrário, o objeto entrará em movimento. Para não sobrecarregar a ilustração, só foram ilustradas as componentes das forças paralelas à superfície, ou seja, a força normal e a componente perpendicular do peso não foram ilustradas. - Atrito dinâmico
- A força de atrito dinâmico, ou cinético, atua quando existe movimento relativo entre as duas superfícies em contato. O módulo que o atrito dinâmico pode assumir é sempre: $$F_{at(d)} = \mu_d N,$$ onde \(\mu_d\) é uma constate que depende dos tipos de materiais em contato, e \(N\) é a força normal à superfície de contato.
As figuras ilustram como a direção do atrito dinâmico depende da direção da velocidade, e por conseguinte, como ela afetará o cálculo da força resultante. Repare que em uma situação a força de atrito tem a mesma direção da componente do peso paralela à superfície, na outra, elas são antagônicas. Para não sobrecarregar a ilustração, só foram ilustradas as componentes das forças paralelas à superfície, ou seja, a força normal e a componente perpendicular do peso não foram ilustradas.
Características das forças de atrito
- Sentido
- É sempre oposto ao movimento relativo entre duas superfícies, ou à tendência ao movimento.
- Módulo
- As forças de atrito são proporcionais à força normal \(N\) , mas há uma grande diferença do caso estático para o dinâmico.
- Direção
- Sempre tangente às superfícies de contato onde se encontra o sistema de interesse.
- Irregularidade das superfícies em contato
- Atração eletromagnética entre as duas superfícies em contato.
