miniatura|360px|A placa azul apresenta mais atrito na superfície inclinada do que a verde e, por isso, desliza mais lentamente.
300x150px|miniatura|Blocos simulados com superfícies rugosas fractais, mostrando interações de atrito estático.
Atrito é a força que resiste ao movimento relativo entre superfícies sólidas, camadas de fluidos ou elementos de materiais que deslizam ou roçam uns contra os outros. Entre os tipos de atrito estão o seco, o de fluido, o lubrificado, o superficial e o interno. Essa lista não é exaustiva. O estudo dos processos envolvidos recebe o nome de tribologia e tem mais de dois mil anos de desenvolvimento.
O atrito não é uma das interações fundamentais. As forças de contato que dão origem ao atrito em escala macroscópica decorrem, em última instância, de interações eletromagnéticas entre átomos e moléculas. Nos casos usuais de deslizamento, o atrito é uma força não conservativa: o trabalho realizado contra ele depende do caminho percorrido, e parte da energia mecânica é convertida em energia térmica ou em outras formas internas de energia.
O atrito pode produzir calor suficiente para iniciar um fogo por meio da fricção de pedaços de madeira. Outra consequência de muitos tipos de atrito é o desgaste, que pode reduzir o desempenho ou danificar componentes. As perdas de energia provocadas pelo atrito correspondem a cerca de 20% do consumo mundial de energia.
A força de resistência associada ao atrito resulta de processos que vão da deformação das asperezas à geração de cargas pelo efeito triboelétrico e a alterações na estrutura local. Quando dois corpos em contato se movem um em relação ao outro, parte da energia mecânica é transformada em calor, em energia livre relacionada a alterações estruturais e em outras formas de dissipação. A energia total dissipada por unidade de distância percorrida corresponde à força de atrito resistente, F = E/d. A diversidade das interações envolvidas dificulta o cálculo do atrito a partir de primeiros princípios, e muitas análises e teorias recorrem a métodos empíricos.
Tipos Há diferentes tipos de atrito: Atrito seco é a força que se opõe ao movimento lateral relativo de duas superfícies sólidas em contato. Divide-se em atrito estático, também chamado de stiction, entre superfícies sem movimento relativo, e atrito cinético, entre superfícies em movimento relativo. Exceto nos casos de atrito atômico ou molecular, o atrito seco costuma decorrer da interação de irregularidades superficiais chamadas asperezas. Atrito de fluido ocorre entre camadas de um fluido viscoso que se movem umas em relação às outras. Atrito lubrificado é um caso de atrito de fluido no qual um lubrificante separa parcial ou completamente duas superfícies sólidas. Atrito superficial é um componente do arrasto, a força que resiste ao movimento de um fluido sobre a superfície de um corpo. Atrito interno é a força que resiste ao movimento entre os elementos que formam um material sólido enquanto ele sofre deformação.
História Autores da Antiguidade, entre eles Aristóteles, Vitrúvio e Plínio, o Velho, interessaram-se pelas causas do atrito e por maneiras de reduzi-lo. Eles conheciam a diferença entre o atrito estático e o cinético. Em 350 d.C., Temístio escreveu que "é mais fácil prosseguir o movimento de um corpo em movimento do que mover um corpo em repouso".
As leis clássicas do atrito de deslizamento foram descobertas por Leonardo da Vinci em 1493. Seus estudos fizeram dele um dos precursores da tribologia, mas as leis registradas em seus cadernos não foram publicadas e permaneceram desconhecidas. As leis foram redescobertas por Guillaume Amontons em 1699 e passaram a ser chamadas de três leis do atrito seco de Amontons. Amontons explicou o atrito por meio das irregularidades das superfícies e da força necessária para elevar o peso que as pressionava uma contra a outra. Bernard Forest de Bélidor desenvolveu essa ideia,Forest de Bélidor, Bernard. "Richtige Grund-Sätze der Friction-Berechnung". 1737, em alemão. Cópia arquivada em 27 de abril de 2021. assim como Leonhard Euler em 1750. Euler derivou o ângulo de repouso de um peso sobre um plano inclinado e distinguiu o atrito estático do cinético.
John Theophilus Desaguliers reconheceu em 1734 o papel da adesão no atrito. Forças microscópicas fazem as superfícies aderirem entre si. Desaguliers propôs que o atrito correspondia à força necessária para separar essas superfícies aderentes.
Charles-Augustin de Coulomb ampliou o estudo do atrito em 1785. Ele investigou quatro fatores: a natureza dos materiais em contato e de seus revestimentos superficiais, a extensão da área superficial, a pressão normal ou carga e o tempo durante o qual as superfícies permaneciam em contato, chamado tempo de repouso. Coulomb também examinou os efeitos da velocidade de deslizamento, da temperatura e da umidade para comparar as explicações propostas para o atrito. A distinção entre atrito estático e dinâmico faz parte da lei de atrito de Coulomb, embora Johann Andreas von Segner já a tivesse formulado em 1758. Pieter van Musschenbroek explicou em 1762 o efeito do tempo de repouso por meio de superfícies de materiais fibrosos. As fibras levam algum tempo para se entrelaçar, período em que o atrito aumenta.
John Leslie (1766–1832) apontou uma dificuldade nas explicações de Amontons e Coulomb. Se o atrito surgisse porque um peso precisava subir pelos planos inclinados de asperezas sucessivas, perguntou Leslie, a descida pela inclinação oposta não compensaria esse efeito? Ele também duvidava da explicação de Desaguliers baseada na adesão, pois ela deveria, em conjunto, tender tanto a acelerar quanto a retardar o movimento. Para Leslie, o atrito deveria ser entendido como um processo dependente do tempo em que as asperezas eram achatadas e comprimidas, criando novos obstáculos em regiões que antes eram cavidades.
miniatura|Calor produzido por atrito, registrado por uma câmera térmica. No desenvolvimento da lei da conservação da energia e da primeira lei da termodinâmica, o atrito passou a ser entendido como um modo de conversão de trabalho mecânico em calor. Em 1798, Benjamin Thompson publicou experimentos realizados durante a perfuração de canhões.Benjamin Thompson (1798). "An inquiry concerning the source of the heat which is excited by friction". Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 88: 80–102. . Cópia arquivada em 7 de outubro de 2024.
Arthur Morin desenvolveu em 1833 o conceito de atrito de deslizamento em oposição ao atrito de rolamento.
Em 1842, Julius Robert Mayer gerou calor por atrito em polpa de papel e mediu a elevação da temperatura.Blundell, S. J.; Blundell, K. M. (2006). Concepts in Thermal Physics. Oxford University Press, Oxford, Reino Unido. ISBN 978-0-19-856769-1, p. 106. Em 1845, Joule publicou "The Mechanical Equivalent of Heat", no qual apresentou um valor numérico para o trabalho mecânico necessário para "produzir uma unidade de calor". O cálculo usava o aquecimento devido à passagem de corrente elétrica por um resistor e o atrito de uma roda de pás girando em um recipiente com água.
Osborne Reynolds derivou a equação do escoamento viscoso em 1866. Com isso se completou o modelo empírico clássico de atrito estático, cinético e de fluido usado em engenharia. Em 1877, Fleeming Jenkin e J. A. Ewing estudaram a continuidade entre o atrito estático e o cinético.Fleeming Jenkin e James Alfred Ewing (1877). "On Friction between Surfaces moving at Low Speeds". Philosophical Magazine, série 5, volume 4, pp. 308–310. Biodiversity Heritage Library. Cópia arquivada em 18 de setembro de 2021.
Em 1907, G. H. Bryan publicou o estudo dos fundamentos da termodinâmica Thermodynamics: an Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications. Ele observou que, quando um corpo rugoso é conduzido sobre uma superfície igualmente rugosa, o trabalho mecânico realizado pelo agente que o impulsiona supera o trabalho mecânico recebido pela superfície. O trabalho restante corresponde ao calor gerado pelo atrito.
Planck, já em sua tese de 1879 e com maior ênfase em 1926, defendeu que a geração de calor por fricção era a maneira mais específica de definir calor e o exemplo primário de processo termodinâmico irreversível.Planck, M. (1926). "Über die Begründung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik". Sitzungsber. Preuss. Akad. Wiss., Phys. Math. Kl., 453–463.
No século XX, grande parte das pesquisas buscou compreender os mecanismos físicos do atrito. Frank Philip Bowden e David Tabor mostraram em 1950 que, em escala microscópica, a área real de contato entre superfícies corresponde apenas a uma pequena fração da área aparente. Essa área real, formada pelos contatos entre asperezas, aumenta com a pressão. O desenvolvimento do microscópio de força atômica, por volta de 1986, permitiu estudar o atrito em escala atômica. Nessa escala, o atrito seco corresponde ao produto da tensão de cisalhamento entre as superfícies pela área de contato. Essas duas descobertas explicam a primeira lei de Amontons, a proporcionalidade macroscópica entre a força normal e a força máxima de atrito estático entre superfícies secas.
Atrito seco O atrito seco resiste ao movimento lateral relativo de duas superfícies sólidas em contato. Seus dois regimes são o atrito estático, também chamado de "stiction", entre superfícies sem movimento relativo, e o atrito cinético, também chamado de atrito de deslizamento ou atrito dinâmico, entre superfícies em movimento relativo.
A força de atrito atua sempre em uma direção que se opõe ao movimento relativo, no caso do atrito cinético isotrópico, ou ao movimento relativo que ocorreria, no caso do atrito estático. Uma pedra de curling que desliza sobre o gelo, por exemplo, sofre uma força cinética que reduz sua velocidade. Como exemplo de movimento potencial, as rodas motrizes de um automóvel em aceleração sofrem uma força de atrito dirigida para a frente. Sem ela, as rodas girariam em falso e a borracha deslizaria para trás sobre o pavimento. O atrito não se opõe necessariamente à direção de movimento do veículo, mas à direção do deslizamento, ou do deslizamento potencial, entre pneu e pavimento.
As propriedades elementares do atrito de deslizamento foram determinadas experimentalmente entre os séculos XV e XVIII e expressas em três leis empíricas: Primeira lei de Amontons: a força de atrito é diretamente proporcional à carga aplicada. Segunda lei de Amontons: a força de atrito independe da área aparente de contato. Lei de atrito de Coulomb: o atrito cinético independe da velocidade de deslizamento.
O atrito de Coulomb, que recebeu o nome de Charles-Augustin de Coulomb, é um modelo aproximado usado para calcular a força de atrito seco. O modelo é expresso por:
em que: é a força de atrito exercida por cada superfície sobre a outra. Ela é paralela à superfície e tem direção oposta à força resultante que produziria o deslizamento; é o coeficiente de atrito, uma propriedade empírica do par de materiais em contato; é a força normal exercida por cada superfície sobre a outra, perpendicular à superfície.
O atrito de Coulomb pode assumir qualquer valor entre zero e . A força de atrito exercida sobre uma superfície aponta em direção oposta ao movimento que essa superfície teria na ausência do atrito. No regime estático, a força de atrito assume exatamente o valor necessário para impedir o movimento relativo e equilibra a força resultante que tenderia a produzi-lo. A aproximação de Coulomb, nesse caso, não fornece uma estimativa da força de atrito efetiva, mas um valor limite. Acima desse limite começa o movimento. Essa força máxima recebe o nome de tração.
Atrito estático 400px|direita|miniatura|Enquanto a massa permanece imóvel, o objeto sofre atrito estático. O atrito aumenta com a força aplicada até que o bloco comece a se mover. Depois disso, passa a atuar o atrito cinético, menor que o valor máximo do atrito estático.