La fricción nos rodea en el mundo real. Cuando dos superficies interactúan o se empujan entre sí de alguna manera, parte de la energía mecánica se convierte en otras formas, lo que reduce la cantidad de energía que queda para el movimiento.
Si bien las superficies lisas tienden a experimentar menos fricción que las superficies rugosas, solo en el vacío donde esto no importa, hay un verdadero entorno sin fricciones, aunque los libros de texto de física de la escuela secundaria a menudo se refieren a tales situaciones para simplificar cálculos.
La fricción generalmente impide el movimiento. Considere un tren rodando por una vía o un bloque que se desliza por el suelo. En un mundo sin fricción, estos objetos continuarían su movimiento indefinidamente. La fricción hace que disminuyan la velocidad y finalmente se detengan en ausencia de cualquier otra fuerza aplicada.
Los satélites en el espacio pueden mantener sus órbitas con poca energía adicional debido al vacío casi perfecto del espacio. Los satélites de órbita inferior, sin embargo, a menudo encuentran fuerzas de fricción en forma de resistencia del aire y requieren un refuerzo periódico para mantener el rumbo.
Definición de fricción
A nivel microscópico, la fricción ocurre cuando las moléculas de una superficie interactúan con las moléculas de otra superficie cuando esas superficies están en contacto y se empujan unas contra otras. Esto resulta en resistencia cuando uno de esos objetos intenta moverse mientras mantiene contacto con el otro objeto. A esta resistencia la llamamos fuerza de fricción. Como otras fuerzas, es una cantidad vectorial medida en newtons.
Dado que la fuerza de fricción resulta de la interacción de dos objetos, determinar la dirección en la que actuará un objeto dado, y por lo tanto la dirección para dibujarlo en un diagrama de cuerpo libre, requiere comprender que Interacción. La tercera ley de Newton nos dice que si el objeto A aplica una fuerza sobre el objeto B, entonces el objeto B aplica una fuerza de igual magnitud pero en la dirección opuesta al objeto A.
Entonces, si el objeto A empuja contra el objeto B en la misma dirección en que se mueve el objeto A, la fuerza de fricción actuará en dirección opuesta a la del movimiento del objeto A. (Este suele ser el caso de la fricción por deslizamiento, que se analiza en la siguiente sección). Si, por otro lado, el objeto A empuja al objeto B en una dirección opuesta a su dirección de movimiento, entonces la fuerza de fricción terminará en la misma dirección que el movimiento del objeto A. (Este suele ser el caso de la fricción estática, que también se analiza en la siguiente sección).
La magnitud de la fuerza de fricción es a menudo directamente proporcional a la fuerza normal, o la fuerza que presiona las dos superficies una contra la otra. La constante de proporcionalidad varía en función de las superficies en contacto. Por ejemplo, podría esperar una menor fricción cuando dos superficies "resbaladizas", como un bloque de hielo en un lago congelado, están en contacto, y una mayor fricción cuando dos superficies "rugosas" están en contacto.
La fuerza de fricción es generalmente independiente del área de contacto entre los objetos y la superficie relativa. velocidades de las dos superficies (excepto en el caso de la resistencia del aire, que no se aborda en este artículo.)
Tipos de fricción
Hay dos tipos principales de fricción: fricción cinética y fricción estática. Es posible que también haya oído hablar de algo llamado fricción rodante, pero como se explica más adelante en esta sección, este es realmente un fenómeno diferente.
Fuerza de fricción cinética, también conocida como fricción por deslizamiento, es la resistencia debida a las interacciones de la superficie mientras un objeto se desliza contra otro, como cuando se empuja una caja por el suelo. La fricción cinética actúa en dirección opuesta a la del movimiento. Esto se debe a que el objeto deslizante empuja contra la superficie en la misma dirección en la que se desliza, por lo que la superficie aplica una fuerza de fricción sobre el objeto en la dirección opuesta.
Fricción estáticaes una fuerza de fricción entre dos superficies que se empujan entre sí, pero no se deslizan entre sí. En el caso de que una caja sea empujada por el piso, antes de que la caja comience a deslizarse, la persona debe empujar contra ella con una fuerza creciente, eventualmente empujando lo suficientemente fuerte como para que funcione. Mientras que la fuerza de empuje aumenta desde 0, la fuerza de fricción estática también aumenta, oponiéndose a la empujar la fuerza hasta que la persona aplique una fuerza lo suficientemente grande como para superar la fricción estática máxima fuerza. En ese punto, la caja comienza a deslizarse y la fricción cinética se hace cargo.
Sin embargo, las fuerzas de fricción estática también permiten ciertos tipos de movimiento. Piense en lo que sucede cuando camina por el suelo. Cuando das un paso, empujas el suelo hacia atrás con el pie y el suelo, a su vez, te empuja hacia adelante. Es la fricción estática entre su pie y el piso lo que hace que esto suceda, y en este caso, la fuerza de fricción estática termina en la dirección de su movimiento. Sin fricción estática, cuando empuja hacia atrás contra el piso, su pie simplemente se deslizaría y estaría caminando en su lugar.
Resistencia a la rodaduraa veces se llama fricción de rodadura, aunque es un nombre inapropiado, ya que es la pérdida de energía debido a la deformación de las superficies en contacto cuando un objeto rueda, en contraposición al resultado de superficies que intentan deslizarse contra cada una otro. Es similar a la energía que se pierde cuando una pelota rebota. La resistencia a la rodadura es generalmente muy pequeña en comparación con la fricción estática y cinética. De hecho, rara vez se aborda en la mayoría de los textos de física de universidades y escuelas secundarias.
La resistencia a la rodadura no debe confundirse con los efectos de fricción estática y cinética sobre un objeto en movimiento. Un neumático, por ejemplo, puede experimentar fricción deslizante en el eje cuando gira, y también experimenta fricción estática, lo que mantiene la el neumático resbale mientras rueda (la fricción estática en este caso, al igual que con la persona que camina, termina actuando en la dirección de movimiento.)
Ecuación de fricción
Como se mencionó anteriormente, la magnitud de la fuerza de fricción es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza normal, y la constante de proporcionalidad depende de las superficies en cuestión. Recuerde que la fuerza normal es la fuerza perpendicular a la superficie, que contrarresta cualquier otra fuerza que se aplique en esa dirección.
La constante de proporcionalidad es una cantidad sin unidad llamadacoeficiente de fricción, que varía con la rugosidad de las superficies en cuestión, y generalmente se representa con la letra griegaμ.
F_f = \ mu F_N
Consejos
Esta ecuación solo relaciona la magnitud de la fricción y las fuerzas normales. ¡No apuntan en la misma dirección!
Tenga en cuenta que μ no es lo mismo para la fricción estática y cinética. El coeficiente a menudo incluye un subíndice, conμkrefiriéndose al coeficiente de fricción cinética yμsrefiriéndose al coeficiente de fricción estática. Los valores de estos coeficientes para diferentes materiales se pueden consultar en una tabla de referencia. Los coeficientes de fricción para algunas superficies comunes se enumeran en la siguiente tabla.
| Sistema | Fricción estática (μs) | Fricción cinética (μk) |
|---|---|---|
Caucho sobre hormigón seco |
1 |
0.7 |
Caucho sobre hormigón húmedo |
0.7 |
0.5 |
Madera sobre madera |
0.5 |
0.3 |
Madera encerada sobre nieve mojada |
0.14 |
0.1 |
Metal sobre madera |
0.5 |
0.3 |
Acero sobre acero (seco) |
0.6 |
0.3 |
Acero sobre acero (aceitado) |
0.05 |
0.03 |
Teflón sobre acero |
0.04 |
0.04 |
Hueso lubricado por líquido sinovial |
0.016 |
0.015 |
Zapatos en madera |
0.9 |
0.7 |
Zapatos en el hielo |
0.1 |
0.05 |
Hielo sobre hielo |
0.1 |
0.03 |
Acero sobre hielo |
0.04 |
0.02 |
https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction
Los valores de μ para la resistencia a la rodadura suelen ser inferiores a 0,01, y de manera significativa, por lo que puede ver que, en comparación, la resistencia a la rodadura suele ser insignificante.
Cuando se trabaja con fricción estática, la fórmula de la fuerza a menudo se escribe de la siguiente manera:
F_f \ leq \ mu_s F_N
Con la desigualdad representando el hecho de que la fuerza de fricción estática nunca puede ser mayor que las fuerzas que se le oponen. Por ejemplo, si está intentando empujar una silla por el suelo, antes de que la silla comience a deslizarse, actuará la fricción estática. Pero su valor variará. Si aplica 0.5 N a la silla, entonces la silla experimentará 0.5 N de fricción estática para contrarrestar eso. Si empuja con 1,0 N, la fricción estática se convierte en 1,0 N, y así sucesivamente hasta que empuja con más del valor máximo de la fuerza de fricción estática y la silla comienza a deslizarse.
Ejemplos de fricción
Ejemplo 1:¿Qué fuerza se debe aplicar a un bloque de metal de 50 kg para empujarlo a través de un piso de madera con velocidad constante?
Solución:Primero, dibujamos el diagrama de cuerpo libre para identificar todas las fuerzas que actúan sobre el bloque. Tenemos la fuerza de la gravedad actuando directamente hacia abajo, la fuerza normal actuando hacia arriba, la fuerza de empuje actuando hacia la derecha y la fuerza de fricción actuando hacia la izquierda. Dado que el bloque está destinado a moverse a una velocidad constante, sabemos que todas las fuerzas deben sumar 0.
Las ecuaciones de fuerza neta para esta configuración son las siguientes:
F_ {netx} = F_ {push} - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g = 0
De la segunda ecuación, obtenemos que:
F_N = F_g = mg = 50 \ times 9,8 = 490 \ text {N}
Usando este resultado en la primera ecuación y despejando la fuerza de empuje desconocida, obtenemos:
F_ {push} = F_f = \ mu_kF_N = 0.3 \ times 490 = 147 \ text {N}
Ejemplo 2:¿Cuál es el ángulo máximo de inclinación que puede tener una rampa antes de que una caja de 10 kg que descansa sobre ella comience a deslizarse? ¿Con qué aceleración se deslizará en este ángulo? Asumirμses 0,3 yμkes 0,2.
Solución:Nuevamente, comenzamos con un diagrama de cuerpo libre. La fuerza gravitacional actúa hacia abajo, la fuerza normal actúa perpendicularmente a la pendiente y la fuerza de fricción actúa hacia arriba por la rampa.
•••Dana Chen | Ciencia
Para la primera parte del problema, sabemos que la fuerza neta debe ser 0 y la fuerza máxima de fricción estática esμsFnorte.
Elija un sistema de coordenadas alineado con la rampa de modo que abajo de la rampa esté el eje x positivo. Luego divide cada fuerza enX-yy-componentes, y escriba las ecuaciones de fuerza neta:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = 0 \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
A continuación, sustituyaμsFnorte para la fricción y resolver paraFnorteen la segunda ecuación:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_N = 0 \\ F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0 \ implica F_N = F_g \ cos (\ theta)
Enchufe la fórmula paraFnorteen la primera ecuación y resuelva paraθ:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_sF_g \ cos (\ theta) = 0 \\ \ implica F_g \ sin (\ theta) = \ mu_sF_g \ cos (\ theta) \\ \ implica \ frac {\ sin (\ theta)} {\ cos (\ theta)} = \ mu_s \\ \ implica \ tan (\ theta) = \ mu_s \\ \ implica \ theta = \ tan ^ {- 1} (\ mu_s)
Reemplazando el valor de 0.3 paraμs da el resultadoθ= 16,7 grados.
La segunda parte de la pregunta ahora hace uso de la fricción cinética. Nuestro diagrama de cuerpo libre es esencialmente el mismo. La única diferencia es que ahora conocemos el ángulo de inclinación y la fuerza neta no es 0 en laXdirección. Entonces nuestras ecuaciones de fuerza neta se convierten en:
F_ {netx} = F_g \ sin (\ theta) - F_f = ma \\ F_ {nety} = F_N - F_g \ cos (\ theta) = 0
Podemos resolver la fuerza normal en la segunda ecuación, como antes, y conectarla a la primera ecuación. Haciendo eso y luego resolviendoada:
F_g \ sin (\ theta) - \ mu_kF_g \ cos (\ theta) = ma \\ = \ cancel {m} g \ sin (\ theta) - \ mu_k \ cancel {m} g \ cos (\ theta) = \ cancelar {m} a \\ \ implica a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta)
Ahora es una simple cuestión de conectar números. El resultado final es:
a = g \ sin (\ theta) - \ mu_kg \ cos (\ theta) = 9.8 \ sin (16.7) - 0.2 \ times 9.8 \ cos (16.7) = 0.94 \ text {m / s} ^ 2