1. Definició de força de fricció
La fricció és una força d'arrossegament que funciona entre les superfícies dels objectes que es toquen. En aquest tema, la força de fricció estudiada està relacionada amb la força de fricció que actua entre dues superfícies de cossos sòlids que es toquen. Com ara la fricció entre la base de la biga i la superfície del terra, la fricció entre la base de la sabata i la superfície del terra, la fricció entre les rodes del cotxe i la superfície de la carretera.
La força de fricció sempre actua sobre la superfície dels objectes sòlids que es toquen entre si, tot i que els objectes són molt llisos. Fins i tot les superfícies llises són en realitat molt rugoses a escala microscòpica. Quan un objecte es mou, aquestes crestes microscòpiques interfereixen amb el moviment. A nivell atòmic, una protuberància a la superfície fa que els àtoms estiguin molt a prop d'altres superfícies, de manera que les forces elèctriques entre els àtoms poden formar enllaços químics, com una unió entre dues superfícies d'un objecte en moviment. Quan un objecte es mou, per exemple quan empenyes un llibre contra la superfície de la taula, el moviment del llibre experimenta obstacles i finalment s'atura. Això es deu a la formació i alliberament de l'enllaç.
Si la superfície d'un objecte frega contra la superfície d'un altre objecte, cadascun d'aquests objectes treballa sobre la fricció entre si. La força de fricció sobre l'objecte en moviment sempre és en la direcció oposada a la direcció del moviment de l'objecte. A més d'inhibir el moviment dels objectes, la fricció pot causar desgast i danys. Podem observar això al motor d'un vehicle. Per exemple, quan proporcionem oli lubricant al motor d'una motocicleta, en realitat volem reduir la força de fricció que es produeix dins del motor. Si no se li proporciona oli lubricant, el motor del nostre vehicle es fa malbé ràpidament. Aquest exemple és una de les pèrdues causades per la fricció.
2. Tipus de forces de fricció
Hi ha dos tipus de forces de fricció, és a dir, la força de fricció estàtica (f s ) i la força de fricció cinètica (f k ). La força de fricció estàtica actua quan l'objecte no s'ha mogut, mentre que la força de fricció cinètica actua quan l'objecte es mou. Si empenyeu una taula, però la taula no s'ha mogut, la força de fricció que actua sobre la taula que està en repòs és una força de fricció estàtica. Per contra, quan la taula es mou, la força de fricció que actua sobre la taula és fricció cinètica. Si la taula en moviment no s'empeny sempre, la taula s'aturarà després de moure's durant un temps. La taula s'atura a causa de la força de fricció cinètica que bloqueja el moviment de la taula.
Has relliscat mai en trepitjar alguna cosa llisa? Quan rellisques, la força de fricció que actua entre la base de la sabata o la sola d'una sandàlia amb una superfície llisa és fricció cinètica. Aquest problema és similar a quan una motocicleta o un cotxe es mou sobre una superfície de carretera humida i llisa, frenant fins que la roda rellisca. Quan les rodes rellisquen, la força de fricció que actua sobre la superfície de la roda i la superfície de la carretera és una força de fricció cinètica. Per contra, quan camines, la força de fricció que actua entre la base de la sabata o la sola de les sandàlies amb la superfície del terra és una força de fricció estàtica. De la mateixa manera, quan les rodes no rellisquen, la força de fricció que actua sobre la superfície de la roda i la carretera és fricció estàtica.
2.1 Força de fricció estàtica
La força de fricció estàtica és la força de fricció que actua sobre la superfície dels objectes que es toquen entre si quan els objectes encara no s'han mogut.
La figura 1 mostra un objecte que encara es troba sobre la superfície d'un pla. Si l'objecte encara no s'ha mogut, la força de fricció estàtica (fs) és menor que la força d'atracció (F). Si continua sent estirat, l'objecte es mourà. Quan l'objecte correcte es mou, la magnitud de la força de fricció estàtica (fs) és igual a la magnitud de la força de tracció (F).
La primera llei de Newton estableix que els objectes estan en repòs si la força total (força resultant) és zero.
ΣF y = 0 (L'objecte està en repòs i no es mou en direcció vertical)
N – w = 0
N = w (1.2)
Substituïu N a l'equació 1.1 per N a l'equació 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = fricció estàtica (N), μs = coeficient de fricció estàtica, N = força normal (N), w = gravetat (N), m = massa (kg), g = acceleració de la gravetat (m/ s² )
Si voleu determinar el coeficient de fricció estàtica, feu servir l'equació 1.1 b
Σf x = 0 (L'objecte està en repòs i no es mou en la direcció horitzontal)
F – f s = 0
F = fs ( 1.4)
Quan l'objecte comença a moure's, la força de fricció estàtica màxima és igual a la magnitud de la força d'empenta o d'arrossegament.
2.2 Força de fricció cinètica
La força de fricció cinètica és la força de fricció que actua sobre la superfície dels objectes que es toquen entre si quan un objecte es mou.
Si voleu determinar el coeficient de fricció cinètica (μ k ), feu servir l'equació 1.5 b
La figura 2 mostra un objecte que s'estira regularment de manera que l'objecte es mou a una velocitat constant. Quan es mou a una velocitat constant, la magnitud de la força de fricció cinètica (fk) és igual a la magnitud de la força d'atracció (F).
La primera llei de Newton estableix que un objecte es mou a una velocitat constant si la força total (força resultant) és zero.
ΣF x = 0 (els objectes es mouen a una velocitat constant en direcció horitzontal)
F – fk = 0
F = fk (1.6)
Problema de mostra 1:
Un estudiant estira una biga amb una massa d'1 kg que es troba sobre la superfície d'una taula utilitzant un dinamòmetre (un dispositiu de mesura de força). Quan la biga es mou, el dinamòmetre mostra el número 2 N. Si l'acceleració de la gravetat = 10 m/s² , determineu (a) la magnitud de la força de fricció estàtica (b) el coeficient de fricció estàtica
Solució:
Conegut : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Quan la biga es mou, la magnitud de la força de fricció estàtica és = la magnitud de la força d'atracció (compareu l'equació 1.4). Per tant, f s = F = 2 N.
(b) μs
f s = μ s w
2 N = (μs ) (10 N)
μs = 2 N / 10 N = 0.2
Problema de mostra 2:
Una biga amb una massa d'1 kg situada per sobre de la superfície de la taula s'estira regularment de manera que la biga es mogui a una velocitat constant. Quan la biga es mou a una velocitat constant, el dinamòmetre mostra el número 1 N. Si l'acceleració de la gravetat = 10 m/s² , determineu (a) la magnitud de la força de fricció cinètica (b) el coeficient de fricció cinètica
Solució:
Conegut: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Quan la biga es mou regularment o es mou a una velocitat constant, la magnitud de la força de fricció cinètica = la magnitud de la força d'atracció (compareu l'equació 1.6).
Així doncs, f k = F = 1 N
(b) μk
f k = μ k w
1 N = (μk ) (10 N)
μk = 1 N / 10 N = 0.1
