La fricción es parte de la vida diaria. Mientras que en los problemas de física idealizada, a menudo ignora cosas como la resistencia del aire y la fuerza de fricción, si lo desea con precisión calcular el movimiento de los objetos a través de una superficie, debe tener en cuenta las interacciones en el punto de contacto entre el objeto y el superficie.
Esto generalmente significa trabajar con fricción por deslizamiento, fricción estática o fricción por rodadura, según la situación específica. Aunque un objeto que rueda como una bola o una rueda experimenta claramente menos fuerza de fricción que un objeto, debe deslizamiento, aún tendrá que aprender a calcular la resistencia a la rodadura para describir el movimiento de objetos como neumáticos de automóvil en asfalto.
Definición de fricción rodante
La fricción por rodadura es un tipo de fricción cinética, también conocida comoresistencia a la rodadura, que se aplica al movimiento de rodadura (en oposición al movimiento de deslizamiento, el otro tipo de fricción cinética) y se opone al movimiento de rodadura esencialmente de la misma manera que otras formas de fuerza de fricción.
En términos generales, rodar no implica tanta resistencia como deslizarse, por lo quecoeficiente de fricción de rodaduraen una superficie es típicamente menor que el coeficiente de fricción para situaciones de deslizamiento o estáticas en la misma superficie.
El proceso de laminado (o laminado puro, es decir, sin deslizamiento) es bastante diferente del deslizamiento, porque rodar incluye fricción adicional a medida que cada nuevo punto del objeto entra en contacto con el superficie. Como resultado de esto, en un momento dado hay un nuevo punto de contacto y la situación es instantáneamente similar a la fricción estática.
Hay muchos otros factores más allá de la rugosidad de la superficie que también influyen en la fricción de rodadura; por ejemplo, la cantidad de deformación del objeto y la superficie para el movimiento de balanceo cuando están en contacto afecta la fuerza de la fuerza. Por ejemplo, los neumáticos de automóviles o camiones experimentan una mayor resistencia a la rodadura cuando se inflan a una presión más baja. Además de las fuerzas directas que empujan un neumático, parte de la pérdida de energía se debe al calor, llamadopérdidas por histéresis.
Ecuación de fricción rodante
La ecuación para la fricción por rodadura es básicamente la misma que las ecuaciones para la fricción por deslizamiento y la estática. fricción, excepto con el coeficiente de fricción de rodadura en lugar del coeficiente similar para otros tipos de fricción.
UtilizandoFk, r para la fuerza de fricción rodante (es decir, cinética, rodante),Fnorte para la fuerza normal yμk, r para el coeficiente de fricción por rodadura, la ecuación es:
F_ {k, r} = μ_ {k, r} F_n
Dado que la fricción de rodadura es una fuerza, la unidad deFk, r son newtons. Cuando resuelva problemas relacionados con un cuerpo rodante, deberá buscar el coeficiente específico de fricción de rodamiento para sus materiales específicos. Engineering Toolbox es generalmente una fantástica recurso para este tipo de cosas (ver Recursos).
Como siempre, la fuerza normal (Fnorte) tiene la misma magnitud del peso (es decir,mg, dóndemetroes la masa ygramo= 9,81 m / s2) del objeto sobre una superficie horizontal (asumiendo que no hay otras fuerzas actuando en esa dirección), y es perpendicular a la superficie en el punto de contacto.Si la superficie está inclinadaen un anguloθ, la magnitud de la fuerza normal viene dada pormgporqueθ).
Cálculos con fricción cinética
Calcular la fricción de rodadura es un proceso bastante sencillo en la mayoría de los casos. Imagina un coche con una masa demetro= 1.500 kg, circulando sobre asfalto y conμk, r = 0.02. ¿Cuál es la resistencia a la rodadura en este caso?
Usando la fórmula, juntoFnorte = mg(sobre una superficie horizontal):
\ begin {alineado} F_ {k, r} & = μ_ {k, r} F_n \\ & = μ_ {k, r} mg \\ & = 0.02 × 1500 \; \ text {kg} × 9.81 \; \ texto {m / s} ^ 2 \\ & = 294 \; \ text {N} \ end {alineado}
Puede ver que la fuerza debida a la fricción de rodadura parece sustancial en este caso, sin embargo, dada la masa del automóvil y utilizando la segunda ley de Newton, esto solo equivale a una desaceleración de 0.196 m / s2. I
Si ese mismo automóvil circulaba por una carretera con una inclinación hacia arriba de 10 grados, tendría que usarFnorte = mgporqueθ), y el resultado cambiaría:
\ begin {alineado} F_ {k, r} & = μ_ {k, r} F_n \\ & = μ_ {k, r} mg \ cos (\ theta) \\ & = 0.02 × 1500 \; \ text {kg } × 9,81 \; \ text {m / s} ^ 2 × \ cos (10 °) \\ & = 289,5 \; \ text {N} \ end {alineado}
Debido a que la fuerza normal se reduce debido a la inclinación, la fuerza de fricción se reduce en el mismo factor.
También puede calcular el coeficiente de fricción de rodadura si conoce la fuerza de fricción de rodadura y el tamaño de la fuerza normal, utilizando la siguiente fórmula reordenada:
μ_ {k, r} = \ frac {F_ {k, r}} {F_n}
Imaginar una llanta de bicicleta rodando sobre una superficie de concreto horizontal conFnorte = 762 N yFk, r = 1,52 N, el coeficiente de fricción de rodadura es:
\ begin {alineado} μ_ {k, r} & = \ frac {F_ {k, r}} {F_n} \\ & = \ frac {1.52 \; \ text {N}} {762 \; \ text {N }} \\ & = 0.002 \ end {alineado}