In questa simulazione, riguardante uno sciatore, consideriamo
E : energia totale
Em : energia meccanica
Et : energia termica sviluppata a causa dell’attrito
U :energia potenziale
K : energia cinetica
dalla pagina sul principio
di conservazione dell’energia sappiamo già che
L'energia totale del sistema può essere espressa come
con Ei energia interna del sistema.
Se non viene fornito lavoro dall'esterno al sistema, il principio di conservazione
dell'energia può essere espresso come
invece se fornissimo un lavoro L dall'esterno del sistema sarebbe ΔE=L.
Per un sistema meccanico di questo tipo si può approssimare ΔEi≅0
(ved. NOTA) dunque:
cioè
con
Em(f) : energia meccanica finale=Kf
Em(i) : energia meccanica iniziale=Ui
Infatti, in questa simulazione, lo sciatore è inizialmente dotato solo
di energia potenziale (Ui) e alla fine solo di energia cinetica
(Kf).
In assenza di attrito avremo
in quanto Ki=0 e Uf=0, almeno rispetto al sistema
di riferimento che parte dalla base del piano inclinato.
In presenza di attrito si ha
cioè l'energia cinetica finale sarà uguale all'energia potenziale iniziale
diminuita della variazione di energia termica dissipata a causa della forza
di attrito tra sciatore e piano inclinato.
Nella simulazione si tiene anche conto del fatto che lo sciatore (il grave)
può iniziare la sua discesa solo ed esclusivamente quando la componente
tangenziale della forza peso pt (utile al moto) riesce a vincere
la resistenza di attrito statico R (Newton) con
fs : coefficiente di attrito statico
V=pn : reazione vincolare perpendicolare al piano di appoggio.
p=mg : forza peso
pn=mgcosθ componente normale (al piano) della forza peso
pt=mgsinθ componente tangenziale (al piano) della forza
peso.
Affinchè il grave si metta in moto lungo il piano inclinato deve risultare
poi la massa scivolerà lungo il piano dotata di accelerazione costante. L'energia termica rappresentata dal lavoro di attrito vale
dove d rappresenta la distanza percorsa lungo il piano in discesa. Ricordiamo che è sempre fs>fd . Una volta in moto lo schema delle forze agenti sul corpo è rappresentato qui sotto.
La resistenza di attrito R è nulla in assenza di forze che tendano a produrre il moto; essa si manifesta solo in seguito all'applicazione di una forza esterna e cresce all'aumentare di questa fino a raggiungere il valore massimo. A questo punto, se essa è inferiore o uguale alla forza motrice, il corpo si pone in movimento, mentre nel caso contrario (F < R) esso rimane in quiete. Lo sforzo iniziale per iniziare il movimento è più grande di quello necessario durante il movimento. Durante il moto, la resistenza di attrito si esprime con la formula
dove V è la reazione del piano di appoggio ed è anche la risultante di tutte le forze agenti perpendicolarmente al piano di appoggio o delle loro componenti nella direzione suddetta. Nella fase iniziale il coefficiente di attrito f che viene detto coefficiente di attrito statico fs e in tali condizioni la forza di attrito vale
Il corpo rimane fermo fintanto che
fs ha valori più elevati del coefficiente d'attrito dinamico fd , quindi il coefficiente di attrito diminuisce bruscamente quando il corpo ha iniziato il movimento; il fenomeno é noto come attrito di primo distacco, ed è rappresentato nel seguente disegno
dove un corpo di peso 100 N, su un piano orizzontale con coefficiente di attrito statico fs = 0,5; esso non si muove finché la forza applicata non raggiunge 50 N: dopo di che inizia a muoversi, ed essendo il coefficiente di attrito dinamico pari a fd = 0,35, se la forza applicata resta di 50 N o superiore si muove di moto uniformemente accelerato; se la forza scende a 35 N si muove di moto rettilineo uniforme. Per concludere, osserviamo anche che la resistenza di attrito radente si ritiene comunemente indipendente dall'estensione della superficie di appoggio e dalla velocità assunta dal corpo durante il moto.
NOTA: il fatto di trascurare la variazione di energia interna
per un corpo solido e macroscopico in un fenomeno di questo tipo, che si
svolge in condizioni normali, è giustificato dal fatto che l'energia interna
di un sistema è data dalla somma dell'energia cinetica e potenziale delle
interazioni tra le particelle che costituiscono il sistema stesso.
Nel caso dei gas l'energia interna è data prevalentemente dall'energia cinetica
delle singole particelle.
Nel caso dei liquidi vi è un certo equilibrio tra energia cinetica ed energia
potenziale (che ne garantisce la coesione e ne condiziona la viscosità)
tra le particelle.
Nel caso dei solidi l'energia interna è prevalentemente data dall'energia
potenziale delle varie particelle che ne garantisce la rigidità,
mentre l'energia cinetica delle stesse è trascurabile. Variazioni non trascurabili
di energia interna sono da considerare in termodinamica dove il conferimento
o la sottrazione di calore dal sistema implica una forte variazione di energia
cinetica delle particelle.