La fricción es una fuerza que resiste el movimiento relativo y ocurre en la interfaz entre los cuerpos, pero también dentro de los cuerpos, como en el caso de los fluidos. El concepto de coeficiente de fricción fue formulado por primera vez por Leonardo da Vinci. La magnitud del coeficiente de fricción está determinada por las propiedades de las superficies, el entorno, las características de la superficie, la presencia del lubricante, etc.
Leyes de fricción
Hay cinco leyes de fricción y son:
• La fricción del objeto en movimiento es proporcional y perpendicular a la fuerza normal.
• La fricción experimentada por el objeto depende de la naturaleza de la superficie con la que está en contacto.
• La fricción es independiente del área de contacto siempre que haya un área de contacto.
• La fricción cinética es independiente de la velocidad.
• El coeficiente de fricción estática es mayor que el coeficiente de fricción cinética.
Cuando vemos cualquier objeto, podemos ver la superficie lisa, pero cuando el mismo objeto se ve bajo un microscopio, se puede ver que incluso el objeto que parece liso tiene bordes ásperos. Se pueden ver pequeñas colinas y surcos a través del microscopio, y se conocen como irregularidades de la superficie. Entonces, cuando un objeto se mueve sobre otro, estas irregularidades en la superficie se enredan dando lugar a la fricción. A mayor rugosidad, mayores irregularidades y mayor fuerza aplicada.
Fricción estática
Existen varias teorías sobre las causas de la fricción estática y, como la mayoría de los conceptos relacionados con la fricción, cada una de ellas resulta válida en algunas condiciones, pero falla en otras circunstancias. Para aplicaciones del mundo real (especialmente aquellas relacionadas con maquinaria industrial y movimiento). Las dos teorías más ampliamente aceptadas detrás de la fricción estática tienen que ver con la rugosidad microscópica de las superficies.
Independientemente de cuán «perfectamente» se mecanice, termine y limpie una superficie, inevitablemente tendrá asperezas, esencialmente «asperezas», que consisten en picos y valles, como una string montañosa. (Técnicamente, los «picos» son las asperezas). Cuando dos superficies están en contacto, puede parecer que tienen un área de contacto grande y bien definida, pero en realidad, el contacto ocurre solo en ciertos lugares, es decir, donde el las asperezas de ambas superficies interfieren.
La suma de estas pequeñas áreas de contacto entre las asperezas se denomina área de contacto «real» o «efectiva». Debido a que estas áreas individuales de contacto son muy pequeñas, la presión (presión = fuerza ÷ área) entre las superficies en estos puntos es muy alta. Esta presión extrema permite que se produzca la adhesión entre las superficies, a través de un proceso conocido como soldadura en frío, que se produce a nivel molecular. Antes de que las superficies puedan moverse entre sí, los enlaces que causan esta adhesión deben romperse.
Además, la rugosidad de las superficies significa que, en algunos lugares, las asperezas de una superficie se asentarán en los valles de la otra superficie; en otras palabras, las superficies se entrelazarán.
Estas áreas entrelazadas deben romperse o deformarse plásticamente antes de que las superficies puedan moverse. En otras palabras, debe ocurrir abrasión. Entonces, en la mayoría de las aplicaciones, la fricción estática es causada tanto por la adhesión como por la abrasión de las superficies en contacto.
Leyes de fricción estática
Hay dos leyes de fricción estática:
- Primera ley: La fuerza máxima de fricción estática no depende del área de contacto.
- Segunda ley: La fuerza máxima de fricción estática es comparativa a la fuerza normal, es decir, si la fuerza normal aumenta, la fuerza externa máxima que el objeto puede soportar sin moverse también aumenta.
Derivación de la fórmula del rozamiento estático
Consideremos un bloque de peso mg que se encuentra sobre una superficie horizontal como se muestra en la figura. Cuando un cuerpo presiona contra una superficie, la superficie se deforma aunque parezca rígida. La superficie deformada empuja al cuerpo con una fuerza normal R que es perpendicular a la superficie. Esto se llama fuerza de reacción normal. Equilibra mg que es
R = miligramos
Ahora consideremos que se aplica una fuerza P sobre el bloque. Claramente, el cuerpo permanece en reposo porque alguna otra fuerza F entra en juego en la dirección horizontal y se opone a la fuerza aplicada P, lo que resulta en una fuerza neta cero sobre el cuerpo. Esta fuerza F que actúa a lo largo de la superficie del cuerpo en contacto con la superficie de la mesa se llama fuerza de fricción.
Entonces mientras el cuerpo no se mueva F = P. Esto significa que si aumentamos P, la fricción F también aumenta, permaneciendo siempre igual a P.
Esta fuerza de fricción que entra en juego hasta que comienza el movimiento real se conoce como fricción estática.
Coeficiente de fricción estática
La fricción estática es la fricción que se experimenta cuando un objeto se coloca sobre una superficie. Y, la fricción cinética se debe al movimiento de un objeto sobre una superficie. La fricción está bien caracterizada por el coeficiente de fricción y se explica como la relación entre la fuerza de fricción y la fuerza normal. Esto ayuda al objeto a descansar sobre una superficie. El coeficiente de fricción estática es una cantidad escalar y se denota como μ s .
La fórmula para el coeficiente de fricción estática se expresa como
Dónde
μ s = coeficiente de fricción estática
F = fuerza de fricción estática
N = fuerza normal
Friccion kinetica
La fricción cinética se define como una fuerza que actúa entre superficies en movimiento. Un cuerpo que se mueve sobre la superficie experimenta una fuerza en la dirección opuesta a su movimiento. La magnitud de la fuerza dependerá del coeficiente de fricción cinética entre los dos materiales.
La fricción se define fácilmente como la fuerza que retiene un objeto que se desliza. La fricción cinética es parte de todo e interfiere en el movimiento de dos o más objetos. La fuerza actúa en la dirección opuesta a la forma en que un objeto quiere deslizarse.
Si un automóvil tiene que detenerse, aplicamos los frenos y ahí es exactamente donde entra en juego la fricción. Al caminar, cuando uno quiere detenerse de repente, la fricción es para agradecer nuevamente. Pero cuando tenemos que parar en medio de un charco, las cosas se ponen más difíciles ya que la fricción es menor allí y no puede ayudar tanto.
Superar la fricción estática entre dos superficies esencialmente elimina tanto los obstáculos moleculares (soldadura en frío entre las asperezas) como, hasta cierto punto, los obstáculos mecánicos (interferencia entre las asperezas y los valles de las superficies) al movimiento. Una vez que se inicia el movimiento, continúa ocurriendo algo de abrasión, pero a un nivel mucho más bajo que durante la fricción estática y la velocidad relativa entre las superficies proporciona tiempo suficiente para que ocurra una soldadura en frío adicional (excepto en el caso de una velocidad extremadamente baja).
Con la mayor parte de la adhesión y la abrasión superadas para inducir el movimiento, la resistencia al movimiento entre las superficies se reduce y las superficies ahora se mueven bajo la influencia de la fricción cinética, que es mucho menor que la fricción estática.
Leyes de fricción cinética
Hay cuatro leyes de la fricción cinética:
- Primera ley: La fuerza de fricción cinética (F k ) es directamente proporcional a la reacción normal (N) entre dos superficies en contacto. Donde, μ k = constante llamada coeficiente de fricción cinética.
- Segunda ley: La fuerza de fricción cinética es independiente de la forma y el área aparente de las superficies en contacto.
- Tercera ley: Depende de la naturaleza y material de la superficie en contacto.
- Cuarta ley: Es independiente de la velocidad del objeto en contacto siempre que la velocidad relativa entre el objeto y la superficie no sea demasiado grande.
Fórmula de fricción cinética
El coeficiente de fricción cinética se denota con la letra griega “mu” ( μ ), con un subíndice “k”. La fuerza de fricción cinética es μ k veces la fuerza normal sobre un cuerpo. Se expresa en Newton (N).
La ecuación de fricción cinética se puede escribir como:
Fuerza de fricción cinética = (coeficiente de fricción cinética)(fuerza normal)
F k = μ k η
Dónde,
F k = fuerza de fricción cinética
μ k coeficiente de fricción cinética
η = fuerza normal (letra griega “eta”)
Derivación de la fórmula de fricción cinética
Consideremos un bloque de peso mg que se encuentra sobre una superficie horizontal como se muestra en la figura. Cuando un cuerpo presiona contra una superficie, la superficie se deforma aunque parezca rígida. La superficie deformada empuja al cuerpo con una fuerza normal R que es perpendicular a la superficie. Esto se llama fuerza de reacción normal. Equilibra mg o sea R = mg .
Ahora consideremos que se aplica una fuerza P sobre el bloque como se muestra. Claramente, el cuerpo permanece en reposo porque alguna otra fuerza F entra en juego en la dirección horizontal y se opone a la fuerza aplicada P , lo que resulta en una fuerza neta cero sobre el cuerpo. Esta fuerza F que actúa a lo largo de la superficie del cuerpo en contacto con la superficie de la mesa se llama fuerza de fricción .
Mientras el cuerpo no se mueva F = P . Esto significa que si aumentamos P, la fricción F también aumenta, permaneciendo siempre igual a P.
A medida que aumentamos la fuerza aplicada ligeramente más allá de la fricción límite, comienza el movimiento real. Esto no significa que la fricción haya desaparecido. Solo significa que la fuerza ha superado la fricción limitante. Esta fuerza de fricción en esta etapa se conoce como fricción cinética o fricción dinámica.
La fricción cinética o fricción dinámica es la fuerza opuesta que entra en juego cuando un cuerpo se mueve sobre la superficie de otro cuerpo.
Aplicación de Fricción Estática y Cinética
Aplicaciones de la fricción estática
Algunos ejemplos de la vida real de la fricción estática se dan en los puntos siguientes:
- Papeles sobre una mesa
- Una toalla colgada en un perchero
- Un marcador en un libro
- Un auto estacionado en una colina
Aplicaciones de la fricción cinética
En los puntos siguientes se dan algunos ejemplos de la vida real de la fricción cinética.
- La fricción también juega un papel muy importante en los acontecimientos cotidianos, como cuando se produce el roce de dos objetos. El movimiento resultante se convierte en calor y, por lo tanto, provoca fuego en algunos casos.
- También es responsable del desgaste y por eso necesitamos aceite para lubricar las piezas de la máquina, ya que reduce la fricción.
- Cuando dos objetos se frotan entre sí, la fuerza de fricción se convierte en energía térmica, en algunos casos dando lugar a un incendio.
- La fricción cinética es responsable del desgaste de las piezas de la máquina, por lo que es importante lubricar las piezas de la máquina con aceite.
Diferencia entre fricción estática y cinética
| Fricción estática | Friccion kinetica |
| La fricción estática es la fricción presente entre dos o más objetos que no se mueven entre sí. | La fricción cinética es la fricción presente entre dos o más objetos que están en movimiento entre sí. |
| La magnitud del rozamiento estático es mayor debido al mayor valor de su coeficiente. | La magnitud de la fricción cinética es comparativamente menor debido al bajo valor de su coeficiente. |
|
La ecuación que representa la fricción estática viene dada por F s = μ s η |
La ecuación que representa la fricción cinética está dada por F k = μ k η |
| Su valor puede ser Cero. | Su valor nunca puede ser cero. |
| Ejemplo: un lápiz sobre la mesa. | Ejemplo: mover el lápiz sobre una mesa. |
Ejemplos de problemas basados en fricción estática y cinética
Pregunta 1: Un hombre empuja una caja de cartón grande de 75,0 kg de masa por el suelo.
Solución:
El coeficiente de fricción cinética es μ k =0.520
El trabajador ejerce una fuerza de 400.0 N hacia adelante.
¿Cuál es la magnitud de la fuerza de fricción?
Respuesta: Sobre una superficie plana, la fuerza normal de un objeto se puede encontrar mediante la fórmula
η = mg
Sustituyendo el valor de η en la ecuación F k = μ k η , obtenemos
F k = (0,520) (75,0 kg) (9,80 m/s 2 ) = 382,2 N
Pregunta 2: En la pregunta anterior, ¿calcula la fuerza neta que mueve la caja?
Solución:
La fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es la suma de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.
En este caso, las fuerzas que actúan sobre el cuerpo son la fuerza que ejerce el hombre y el rozamiento cinético que actúa en sentido contrario.
Si el movimiento hacia adelante se considera positivo, entonces la fuerza neta se calcula de la siguiente manera:
F neto = F trabajador – F k
Sustituyendo los valores en la ecuación anterior, obtenemos
F neta = 400 N – 382,2 N = 17,8 N
Pregunta 3: ¿Por qué el movimiento rodante experimenta fricción?
Responder:
In theory, a ball makes point contact with the surface.
But in reality, the ball (and/or the surface) deforms due to the load, and the contact area becomes elliptical.
In theory, rolling surfaces, such as those found in most rotary and linear bearings (except plain bearings), should not encounter friction forces.
But in real-world applications, three factors cause friction in rolling surfaces:
1. Micro-slip between the surfaces (the surfaces slide relative to one another)
2. Propiedades inelásticas (es decir, deformación) de los materiales
3. Rugosidad de las superficies
Pregunta 4: Un objeto que tiene una masa de 10 kg se coloca sobre una superficie lisa. La fricción estática entre estas dos superficies se da como 15 N. ¿Encuentra el coeficiente de fricción estática?
Solución:
Dado
m = 10 kg
F = 30 N
μ s = ?
Lo sabemos,
Fuerza normal, N = mg
Entonces, N = 10 × 9.81 = 98.1 N
La fórmula para el coeficiente de fricción estática es,
µs = F/ N
µs = 30/ 98,1
µs = 0,305
Pregunta 5: La fuerza normal y la fuerza de fricción estática de un objeto son 50 N y 80 N respectivamente. Encuentre el coeficiente de fricción estática?
Solución:
Dado
norte = 50 norte
F = 80 N y μ s = ?
La fórmula para el coeficiente de fricción estática es
µs = F/ N
µs = 80/50
µs = 1,6
Pregunta 6: ¿Cuál es la relación entre la fricción estática y la cinética?
Responder:
La fuerza de fricción estática mantiene un objeto estacionario en reposo. Una vez que se supera la Fuerza de Fricción Estática, la Fuerza de Fricción Cinética es lo que frena un objeto en movimiento.
Pregunta 7: Un frigorífico pesa 1619 N y el coeficiente de fricción estática es 0,50. ¿Cuál es la fuerza mínima utilizada para mover el refrigerador?
Solución:
Datos dados:
Peso del frigorífico, W=1619 N
W=1619 N
Coeficiente de fricción estática, μ s = 0,50
La fuerza mínima necesaria para mover el refrigerador se puede dar como,
F = μ s W
F = 0,50 × 1619
F = 809,50 N.
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por dheerajhinaniya y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA