Il calore è una necessità primordiale della vita e sulla Terra tutti gli esseri viventi ne hanno bisogno. Ecco quindi che il calore può essere una questione di benessere o di sofferenza, addirittura di vita o di morte. L'uomo ha imparato a sfruttarlo nel corso dei millenni come una forma di energia molto versatile, che si può trasformare in lavoro meccanico o elettricità per il benessere di tutti.
Nel linguaggio comune calore e temperatura sono usati come sinonimi: infatti diciamo che è 'caldo' quando la temperatura è elevata. Dal momento che temperatura e calore sono grandezze diverse, per misurarle si usano unità differenti. La temperatura si misura in gradi, il calore in calorie. Una caloria è la quantità di calore che si deve fornire a 1 g di acqua per aumentare di 1 grado la sua temperatura.
Possiamo arrivare a una conclusione di carattere generale molto importante: due corpi possono possedere la stessa temperatura, ma aver avuto bisogno per raggiungerla di una diversa quantità di calore. Cos'è il calore? Il dibattito sulla natura del calore è andato avanti per secoli, dai tempi degli antichi filosofi greci ‒ circa 2.500 anni fa ‒ fino agli inizi del secolo scorso, quando la questione è stata definitivamente risolta.
La Teoria Cinetica del Calore
La teoria del calorico fu messa in crisi dalle scoperte sulla struttura della materia, all'inizio del Novecento. In questo periodo fu definitivamente chiarito che ogni sostanza è costituita di molecole, a loro volta formate dagli atomi. Sia gli atomi sia le molecole non sono immobili, ma compiono piccolissime e veloci oscillazioni. Quando si riscalda una sostanza, il movimento delle sue particelle diventa più veloce, si verificano più urti e le particelle tendono a occupare più spazio.
Grazie a queste scoperte fu chiaro che il passaggio di calore è un trasferimento di agitazione termica. Mettendo a contatto un corpo più caldo con uno più freddo, le particelle del primo trasmettono al secondo l'agitazione delle particelle. Abbiamo detto che il calore passa da un corpo più caldo a uno più freddo grazie al trasferimento dell'agitazione termica delle particelle.
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Calore e Attrito
Fin dagli albori della civiltà era noto che si poteva accendere il fuoco sfregando due pezzi di legno. Nell'Ottocento si studiò a fondo il fatto che il calore si può sviluppare per attrito, cioè per sfregamento fra due corpi. Nell'Ottocento si studiò a fondo il fatto che il calore si può sviluppare per attrito, cioè per sfregamento fra due corpi. Con l'evoluzione della tecnica, fu sempre più evidente che molti lavori meccanici ‒ per esempio la trapanatura, la tornitura, la percussione ‒ producono calore.
Queste osservazioni aprirono la strada allo sfruttamento del calore come forma di energia molto versatile che si può trasformare per numerose applicazioni pratiche. Infatti non solo il lavoro meccanico genera calore, ma vale anche il contrario. Con il calore sviluppato all'interno di opportune camere di combustione si possono mettere in movimento i più svariati tipi di macchine: dai mezzi di trasporto ai generatori di elettricità.
In fisica, possiamo definire attrito una forza che si oppone al movimento o allo spostamento di un corpo in relazione alla superficie sulla quale è posizionato. L’attrito, di fatto, ostacola il movimento di un corpo in quanto è una forza resistente e compie un lavoro negativo se i corpi sono in movimento, perché implica una perdita di energia meccanica che viene dissipata sotto forma di calore. Ad esempio, i freni della macchina sono realizzati proprio attraverso un sistema di attrito, che consente al veicolo di fermarsi e di non proseguire a tutta velocità!
Le superfici non sono mai perfettamente lisce. Ci sono delle asperità microscopiche che si incastrano tra le superfici, ostacolando il movimento. L’attrito trasforma energia meccanica in calore. È una delle principali cause di inefficienza nei sistemi meccanici. Ad esempio, è a causa dell’attrito che i motori si scaldano e le macchine si usurano.
Tipi di Attrito
Scopriamo insieme in questo articolo cos’è l’attrito e come si definisce, ma anche in quanti modi può essere classificato!
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Attrito Radente
L’attrito radente si manifesta quando due superfici scorrono l’una sull’altra.
Attrito Statico
L’attrito statico è la forza che bisogna vincere per mettere in moto i corpi inizialmente fermi. Esempio: Se vogliamo spingere un mobile, la nostra forza potrebbe non bastare per metterlo in movimento poichè la forza di attrito statico è maggiore di quella che stiamo applicando.
La forza di attrito statico si adegua alla forza applicata, quando il corpo comincia a muoversi viene raggiunta la forza di attrito massima. Il coefficiente di attrito statico è sempre maggiore di quello dinamico. Esempio: Spingere un armadio fermo sul pavimento richiede uno sforzo iniziale maggiore per vincere l’attrito statico.
Il modulo dell’attrito statico, ricordando che ha la stessa direzione del moto ma verso opposto, è pari al prodotto tra il coefficiente di attrito statico e la componente perpendicolare della risultante delle forze applicate al corpo (che è la reazione vincolare):
£$F_{As}$£ = £$\mu_{s} · F_{⊥}$£ oppure £$F_{As}$£ = £$\mu_{s} · N$£
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Il coefficiente £$\mu$£ dipende dai materiali e dalle superfici dei corpi coinvolti ed è un numero privo di unita di misura, ovvero adimensionale. Se la forza applicata al corpo è maggiore della forza di attrito statico il corpo si muove, se la forza applicata è minore il corpo resta fermo.
Attrito Volvente
L’attrito volvente si verifica quando un oggetto rotola su una superficie, come una ruota, una sfera o un rullo. È molto più debole dell’attrito radente, motivo per cui si usano le ruote per trasportare carichi pesanti: riducono la resistenza al movimento. Esempio: Trascinare una valigia senza rotelle sul marciapiede è faticoso.
Attrito Viscoso
L’attrito viscoso si verifica quando un corpo si muove all’interno di un fluido, cioè un gas o un liquido. A differenza dell’attrito radente e volvente, questo tipo di attrito dipende dalla velocità del corpo e dalle caratteristiche del fluido come la viscosità. Esempio: Una pallina che cade in acqua rallenta visibilmente rispetto a una che cade nell’aria. Questo perché l’acqua, essendo più densa, esercita un attrito viscoso maggiore. Per questa ragione è molto più faticoso nuotare.
Lo stesso accade nell'aria. Quando un copo si muove a velocità elevate si parla più propriamente di attrito aerodinamico. Qui l’aria non si comporta più solo come fluido viscoso, perché il corpo sposta le molecole d’aria violentemente, creando compressione, turbolenze, riscaldamento e perfino ionizzazione. Questo causa dei fenomeni non lineari, come vortici, onde d’urto e calore. È fondamentale in aerodinamica (auto, aerei, razzi, meteore). Esempio: La velocità di un aeroplano o di un missile è ridotta dalla presenza delle molecole presenti nell'aria. E' l'attrito viscoso a causare il fenomeno delle stelle cadenti.