La fricción por deslizamiento, más comúnmente conocida como fricción cinética, es una fuerza que se opone al movimiento de deslizamiento de dos superficies que se mueven una al lado de la otra. Por el contrario, la fricción estática es un tipo de fuerza de fricción entre dos superficies que se empujan entre sí, pero que no se deslizan entre sí. (Imagínese empujando una silla antes de que comience a deslizarse por el suelo. La fuerza que aplica antes de que comience el deslizamiento se opone a la fricción estática).
La fricción deslizante generalmente implica menos resistencia que la fricción estática, por lo que a menudo tienes que empujar más fuerte para que un objeto comience a deslizarse que para mantenerlo deslizándose. La magnitud de la fuerza de fricción es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza normal. 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 unidades llamada coeficiente de fricción y varía según las superficies en contacto. (Los valores de este coeficiente se suelen buscar en tablas). El coeficiente de fricción generalmente se representa con la letra griega
F_f = \ mu_kF_N
DóndeFnortees la magnitud de la fuerza normal, las unidades están en newtons (N) y la dirección de esta fuerza es opuesta a la dirección del movimiento.
Definición de fricción rodante
La resistencia a la rodadura a veces se denomina fricción de rodadura, aunque no es exactamente una fuerza de fricción porque no es el resultado de dos superficies en contacto que intentan empujarse una contra la otra. Es una fuerza resistiva resultante de la pérdida de energía debido a las deformaciones del objeto rodante y la superficie.
Sin embargo, al igual que con las fuerzas de fricción, la magnitud de la fuerza de resistencia a la rodadura es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza normal, con una constante de proporcionalidad que depende de las superficies en contacto. Tiempoμra veces se usa para el coeficiente, es más común verCrr, haciendo que la ecuación para la magnitud de la resistencia a la rodadura sea la siguiente:
F_r = C_ {rr} F_N
Esta fuerza actúa en dirección opuesta a la del movimiento.
Ejemplos de fricción por deslizamiento y resistencia a la rodadura
Consideremos un ejemplo de fricción que involucra un carro de dinámica que se encuentra en un aula típica de física y compare la aceleración con la que viaja por una pista de metal inclinada a 20 grados durante tres diferentes escenarios:
Escenario 1:No hay fricción ni fuerzas resistivas que actúen sobre el carro, ya que rueda libremente sin deslizarse por la pista.
Primero dibujamos el diagrama de cuerpo libre. La fuerza de gravedad apuntando hacia abajo y la fuerza normal apuntando perpendicular a la superficie son las únicas fuerzas que actúan.
Las ecuaciones de fuerza neta son:
F_ {netx} = F_g \ sin {\ theta} = ma \\ F_ {nety} = F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0
De inmediato, podemos resolver la primera ecuación de aceleración y agregar valores para obtener la respuesta:
F_g \ sin {\ theta} = ma \\ \ implica mg \ sin (\ theta) = ma \\ \ implica a = g \ sin (\ theta) = 9.8 \ sin (20) = \ boxed {3.35 \ text { m / s} ^ 2}
Escenario 2:La resistencia a la rodadura actúa sobre el carro, ya que rueda libremente sin resbalar por la vía.
Aquí asumiremos un coeficiente de resistencia a la rodadura de 0,0065, que se basa en un ejemplo que se encuentra en un papel de la Academia Naval de los Estados Unidos.
Ahora nuestro diagrama de cuerpo libre incluye la resistencia a la rodadura que actúa sobre la pista. Nuestras ecuaciones de fuerza neta se convierten en:
F_ {netx} = F_g \ sin {\ theta} -F_r = ma \\ F_ {nety} = F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0
A partir de la segunda ecuación, podemos resolverFnorte, sustituya el resultado en la expresión de fricción en la primera ecuación y resuelva paraa:
F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0 \ implica F_N = F_g \ cos (\ theta) \\ F_g \ sin (\ theta) -C_ {rr} F_N = F_g \ sin (\ theta) -C_ {rr} F_g \ cos (\ theta) = ma \\ \ implica \ cancelar mg \ sin (\ theta) -C_ {rr} \ cancelar mg \ cos (\ theta) = \ cancelar ma \\ \ implica a = g (\ sin (\ theta) -C_ {rr} \ cos (\ theta) ) = 9,8 (\ sin (20) -0,0065 \ cos (20)) \\ = \ boxed {3,29 \ text {m / s} ^ 2}
Escenario 3:Las ruedas del carro están bloqueadas en su lugar y se desliza por la pista, impedido por la fricción cinética.
Aquí usaremos un coeficiente de fricción cinética de 0.2, que está en el medio del rango de valores típicamente listados para plástico sobre metal.
Nuestro diagrama de cuerpo libre se parece mucho al caso de resistencia a la rodadura, excepto que es una fuerza de fricción deslizante que actúa sobre la rampa. Nuestras ecuaciones de fuerza neta se convierten en:
F_ {netx} = F_g \ sin {\ theta} -F_k = ma \\ F_ {nety} = F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0
Y de nuevo resolvemosade una forma similar:
F_N-F_g \ cos (\ theta) = 0 \ implica F_N = F_g \ cos (\ theta) \\ F_g \ sin (\ theta) - \ mu_kF_N = F_g \ sin (\ theta) - \ mu_kF_g \ cos (\ theta ) = ma \\ \ implica \ cancelar mg \ sin (\ theta) - \ mu_k \ cancel mg \ cos (\ theta) = \ cancel ma \\ \ implica a = g (\ sin (\ theta) - \ mu_k \ cos (\ theta)) = 9.8 ( \ sin (20) -0,2 \ cos (20)) \\ = \ boxed {1,51 \ text {m / s} ^ 2}
Tenga en cuenta que la aceleración con resistencia a la rodadura está muy cerca de la caja sin fricción, mientras que la caja de fricción deslizante es significativamente diferente. ¡Es por eso que la resistencia a la rodadura se descuida en la mayoría de situaciones y por qué la rueda fue una invención brillante!