La fricción estática es una fuerza que debesuperarpara que algo se ponga en marcha. Por ejemplo, alguien puede empujar un objeto fijo como un sofá pesado sin que se mueva. Pero, si presionan más fuerte o solicitan la ayuda de un amigo fuerte, superará la fuerza de fricción y se moverá.
Mientras el sofá está quieto, elLa fuerza de fricción estática equilibra la fuerza aplicada del empuje.. Por lo tanto,la fuerza de fricción estática aumenta de forma lineal con la fuerza aplicada actuando en la dirección opuesta, hasta que alcanza un valor máximo y el objeto apenas comienza a moverse. Después de eso, el objeto ya no experimenta resistencia por fricción estática, sino por fricción cinética.
La fricción estática suele ser una fuerza de fricción mayor que la fricción cinética; es más difícil empezar a empujar un sofá por el suelo que mantenerlo en marcha.
Coeficiente de fricción estática
La fricción estática es el resultado de interacciones moleculares entre el objeto y la superficie sobre la que se encuentra. Por lo tanto, diferentes superficies proporcionan diferentes cantidades de fricción estática.
El coeficiente de fricción que describe esta diferencia en la fricción estática para diferentes superficies esμs.Se puede encontrar en una tabla, como la vinculada a este artículo, o calcularse experimentalmente.
Ecuación de fricción estática
Dónde:
- Fs= fuerza de fricción estática en newtons (N)
- μs = coeficiente de fricción estática (sin unidades)
- Fnorte = fuerza normal entre las superficies en newtons (N)
La fricción estática máxima se logra cuando la desigualdad se convierte en una igualdad, momento en el que una fuerza de fricción diferente se hace cargo cuando el objeto comienza a moverse. (La fuerza de fricción cinética o deslizante tiene un coeficiente diferente asociado llamado coeficiente de fricción cinética y se denotaμk .)
Ejemplo de cálculo con fricción estática
Un niño intenta empujar horizontalmente una caja de goma de 10 kg a lo largo de un suelo de goma. El coeficiente de fricción estática es 1,16. ¿Cuál es la fuerza máxima que puede usar el niño?sinla caja se mueve en absoluto?
[inserte un diagrama de cuerpo libre que muestre las fuerzas aplicadas, de fricción, gravitacionales y normales en la caja fija]
Primero, observe que la fuerza neta es 0 y encuentre la fuerza normal de la superficie sobre la caja. Dado que la caja no se mueve, esta fuerza debe ser igual en magnitud a la fuerza gravitacional que actúa en la dirección opuesta. Recordar queFgramo = mgdóndeFgramoes la fuerza de la gravedad,metroes la masa del objeto ygramoes la aceleración debida a la gravedad en la Tierra.
Entonces:
F_N = F_g = 10 \ times 9,8 = 98 \ text {N}
Luego, resuelve para Fs con la ecuación anterior:
F_s = \ mu_s \ times F_N = 1.16 \ times 98 = 113.68 \ text {N}
Ésta es la fuerza de fricción estática máxima que se opondrá al movimiento de la caja. Por lo tanto, también es la cantidad máxima de fuerza que el niño puede aplicar sin que la caja se mueva.
Tenga en cuenta que, siempre que el niño aplique fuerzamenor que el valor máximo de fricción estática, ¡la caja todavía no se mueve!
Fricción estática en planos inclinados
La fricción estática no solo se opone a las fuerzas aplicadas. Evita que los objetos se deslicen cuesta abajo u otras superficies inclinadas, resistiendo el tirón de la gravedad.
En un ángulo, se aplica la misma ecuación, pero se necesita trigonometría para resolver los vectores de fuerza en sus componentes horizontal y vertical.
Considere un libro de 2 kg que descansa sobre un plano inclinado a 20 grados. Para que el libro permanezca quieto, ellas fuerzas paralelas al plano inclinado deben estar equilibradas. Como muestra el diagrama, la fuerza de fricción estática es paralela al plano en dirección ascendente; la fuerza opuesta hacia abajo proviene de la gravedad; en este caso, sin embargo,solo la componente horizontal de la fuerza gravitacionalestá equilibrando la fricción estática.
Dibujando un triángulo rectángulo de la fuerza de gravedad para resolver sus componentes, y haciendo una poca geometría para encontrar que el ángulo en este triángulo es igual al ángulo de inclinación del plano, lacomponente horizontal de la fuerza gravitacional(la componente paralela al plano) es entonces:
F_ {g, x} = mg \ sin {\ theta} = 2 \ times 9.8 \ times \ sin {20} = 6.7 \ text {N}
Debe ser igual a la fuerza de fricción estática que mantiene el libro en su lugar.
Otro valor posible de encontrar en este análisis es el coeficiente de fricción estática. La fuerza normal esperpendiculara la superficie sobre la que descansa el libro. Entonces esta fuerza debe serequilibrado con el componente verticalde la fuerza de la gravedad:
F_ {g, y} = mg \ cos {\ theta} = 2 \ times 9.8 \ times \ cos {20} = 18.4 \ text {N}
Luego, reordenando la ecuación para la fricción estática:
\ mu_s = \ frac {F_s} {F_N} = \ frac {6.7} {18.4} = 0.364