La mayoría de los objetos no son tan suaves como crees. A nivel microscópico, incluso las superficies aparentemente lisas son en realidad un paisaje de colinas y valles diminutos, demasiado pequeños ver realmente, pero marcando una gran diferencia cuando se trata de calcular el movimiento relativo entre dos contactos superficies.
Estas pequeñas imperfecciones en las superficies se entrelazan, dando lugar a la fuerza de fricción, que actúa en la dirección opuesta a cualquier movimiento y debe calcularse para determinar la fuerza neta sobre el objeto.
Hay algunos tipos diferentes de fricción, perofriccion kineticatambién se conoce comofricción de deslizamiento, tiempofricción estáticaafecta el objetoantes decomienza a moverse yfricción rodantese relaciona específicamente con objetos rodantes como ruedas.
Aprender qué significa la fricción cinética, cómo encontrar el coeficiente de fricción apropiado y cómo calcularlo te dice todo lo que necesitas saber para abordar problemas de física que involucran la fuerza de fricción.
Definición de fricción cinética
La definición de fricción cinética más sencilla es: la resistencia al movimiento provocada por el contacto entre una superficie y el objeto que se mueve contra ella. La fuerza de fricción cinética actúa paraoponerse ael movimiento del objeto, por lo que si empuja algo hacia adelante, la fricción lo empuja hacia atrás.
La fuerza de ficción cinética solo se aplica a un objeto que se está moviendo (por lo tanto, "cinética"), y también se conoce como fricción deslizante. Esta es la fuerza que se opone al movimiento de deslizamiento (empujar una caja a través de las tablas del suelo), y existencoeficientes de fricciónpara este y otros tipos de fricción (como la fricción por rodadura).
El otro tipo principal de fricción entre sólidos es la fricción estática, y esta es la resistencia al movimiento causada por la fricción entre untodavíaobjeto y una superficie. Lacoeficiente de fricción estáticaes generalmente mayor que el coeficiente de fricción cinética, lo que indica que la fuerza de fricción es más débil para los objetos que ya están en movimiento.
Ecuación de fricción cinética
La fuerza de fricción se define mejor mediante una ecuación. La fuerza de fricción depende del coeficiente de fricción para el tipo de fricción en consideración y la magnitud de la fuerza normal que la superficie ejerce sobre el objeto. Para la fricción por deslizamiento, la fuerza de fricción viene dada por:
F_k = μ_k F_n
DóndeFk es la fuerza de fricción cinética,μk es el coeficiente de fricción por deslizamiento (o fricción cinética) yFnorte es la fuerza normal, igual al peso del objeto si el problema involucra una superficie horizontal y no están actuando otras fuerzas verticales (es decir,Fnorte = mg, dóndemetroes la masa del objeto ygramoes la aceleración debida a la gravedad). Dado que la fricción es una fuerza, la unidad de la fuerza de fricción es el newton (N). El coeficiente de fricción cinética no tiene unidades.
La ecuación para la fricción estática es básicamente la misma, excepto que el coeficiente de fricción por deslizamiento se reemplaza por el coeficiente de fricción estática (μs). En realidad, es mejor considerarlo como un valor máximo porque aumenta hasta cierto punto, y luego, si aplica más fuerza al objeto, comenzará a moverse:
F_s \ leq μ_s F_n
Cálculos con fricción cinética
El cálculo de la fuerza de fricción cinética es sencillo en una superficie horizontal, pero un poco más difícil en una superficie inclinada. Por ejemplo, tome un bloque de vidrio con una masa demetro= 2 kg, empujado a través de una superficie de vidrio horizontal,𝜇k = 0,4. Puede calcular la fuerza de fricción cinética fácilmente usando la relaciónFnorte = mgy notando quegramo= 9,81 m / s2:
\ begin {alineado} F_k & = μ_k F_n \\ & = μ_k mg \\ & = 0.4 × 2 \; \ text {kg} × 9.81 \; \ text {m / s} ^ 2 \\ & = 7.85 \; \ text {N} \ end {alineado}
Ahora imagine la misma situación, excepto que la superficie está inclinada 20 grados con respecto a la horizontal. La fuerza normal depende del componente de lapesodel objeto dirigido perpendicular a la superficie, que viene dada pormgporqueθ), dóndeθes el ángulo de la pendiente. Tenga en cuenta quemgpecado (θ) le indica la fuerza de gravedad que lo empuja hacia abajo por la pendiente.
Con el bloque en movimiento, esto da:
\ begin {alineado} F_k & = μ_k F_n \\ & = μ_k mg \; \ cos (θ) \\ & = 0.4 × 2 \; \ text {kg} × 9.81 \; \ text {m / s} ^ 2 × \ cos (20 °) \\ & = 7.37 \; \ text {N } \ end {alineado}
También puede calcular el coeficiente de fricción estática con un experimento simple. Imagina que estás intentando empezar a empujar o tirar de un bloque de madera de 5 kg sobre hormigón. Si registra la fuerza aplicada en el momento preciso en que la caja comienza a moverse, puede reorganizar la ecuación de fricción estática para encontrar el coeficiente de fricción apropiado para madera y piedra. Si se necesitan 30 N de fuerza para mover el bloque, entonces el máximo paraFs = 30 N, entonces:
F_s = μ_s F_n
Reorganiza para:
\ begin {alineado} μ_s & = \ frac {F_s} {F_n} \\ & = \ frac {F_s} {mg} \\ & = \ frac {30 \; \ text {N}} {5 \; \ text {kg} × 9.81 \; \ text {m / s} ^ 2} \\ & = \ frac {30 \; \ text {N}} {49.05 \; \ text {N}} \\ & = 0.61 \ end {alineado}
Entonces el coeficiente es alrededor de 0.61.