Força de atrito

O atrito estático é a força que surge entre superfícies em contato quando existe uma tendência de movimento, mas ainda não há deslizamento relativo entre elas; sua função é justamente impedir que esse escorregamento aconteça. Imagine um bloco apoiado sobre uma mesa horizontal ao qual se aplica lentamente uma força horizontal crescente. Enquanto o bloco permanece parado, a força de atrito estático acompanha o valor da força aplicada, crescendo junto com ela para manter o equilíbrio, sem que haja qualquer movimento. Isso significa que, durante essa fase, o módulo do atrito é determinado pela condição de repouso e não por uma fórmula fixa. Conforme a força aplicada aumenta, o atrito também aumenta, até atingir um valor máximo, dado por $F_{at}^{max}=\mu_e N$, em que $\mu_e$ é o coeficiente de atrito estático e $N$ é a força normal.

Nesse ponto crítico, qualquer acréscimo na força aplicada faz o bloco entrar em movimento, e o atrito passa a ser cinético, geralmente menor que o estático máximo. É importante notar que o atrito estático se opõe à tendência de movimento, ou seja, à componente da força aplicada paralela à superfície, e não necessariamente à força resultante sobre o corpo. Em planos inclinados, por exemplo, é comum um bloco permanecer parado sobre uma rampa graças ao atrito estático, que equilibra a componente do peso paralela ao plano; nesse caso, o atrito aponta no sentido de subida da rampa.

Dominar o caráter variável do atrito estático e o significado do limite máximo é, portanto, essencial para resolver corretamente esses problemas.

Enquanto o atrito estático ajusta seu valor até o limite de iminência, o atrito dinâmico (ou cinético) entra em cena só depois que o corpo já venceu esse limiar e passou a escorregar: a partir daí a força assume módulo praticamente fixo, $F_{at}=\mu_d N$, sempre contrária à velocidade relativa entre as superfícies, e não mais à tendência de movimento. Convém entender por que $\mu_d$ é menor que $\mu_e$: no repouso, os pontos de contato entre as asperezas microscópicas têm tempo de se acomodar e até formar microsoldas, o que exige força maior para romper; em movimento, o deslizamento contínuo impede que essas ligações se consolidem, então a resistência cai.

É também por isso que a força cinética é tratada como aproximadamente independente da velocidade — embora, em modelos mais refinados, ela diminua ligeiramente com o aumento da rapidez.

Quando um corpo se move imerso em um fluido — ar, água ou qualquer gás ou líquido —, esse meio oferece uma resistência ao movimento que chamamos de força de arrasto. Diferente do atrito seco entre superfícies sólidas, que praticamente não depende da velocidade, o arrasto cresce com ela, e a forma exata dessa dependência depende do regime de escoamento. Para velocidades baixas e corpos pequenos, o escoamento é laminar e vale a lei de Stokes, $F_{arr} = 6\pi\eta rv$, em que $\eta$ é a viscosidade do fluido, $r$ o raio do corpo e $v$ a velocidade: a força é proporcional a $v$. Já para velocidades maiores e corpos usuais, o escoamento torna-se turbulento e o arrasto obedece a $F_{arr} = \tfrac{1}{2}C_d\rho Av^{2}$, com $C_d$ o coeficiente de arrasto (que depende da forma), $\rho$ a densidade do fluido e $A$ a área frontal do corpo; aqui a dependência é quadrática.

Isso explica por que um carro consome muito mais combustível a 120 km/h do que a 60 km/h: ao dobrar a velocidade, o arrasto quadruplica.

Vale notar ainda que a velocidade terminal depende da massa: corpos mais pesados, com mesma forma e área, caem mais rápido, o que explica por que uma pena e uma pedra, soltas juntas no ar, não chegam ao chão ao mesmo tempo, mas o fazem no vácuo, onde não há fluido para resistir ao movimento.