1. Definición de fuerza de fricción
La fricción es una fuerza de resistencia que actúa entre las superficies de los objetos que están en contacto. En este tema, la fuerza de fricción estudiada se relaciona con la que actúa entre las superficies de dos cuerpos sólidos que están en contacto. Por ejemplo, la fricción entre la base de una viga y el suelo, la fricción entre la suela de un zapato y el suelo, y la fricción entre las ruedas de un coche y la calzada.
La fuerza de fricción siempre actúa sobre la superficie de los objetos sólidos que se tocan, incluso si son muy lisos. Incluso las superficies lisas son, en realidad, muy rugosas a escala microscópica. Cuando un objeto se mueve, estas crestas microscópicas interfieren con su movimiento. A nivel atómico, una protuberancia en la superficie hace que los átomos se acerquen mucho a otras superficies, de modo que las fuerzas eléctricas entre ellos pueden formar enlaces químicos, como la unión entre dos superficies de un objeto en movimiento. Cuando un objeto se mueve, por ejemplo, al empujar un libro sobre la mesa, el movimiento del libro encuentra obstáculos y finalmente se detiene. Esto se debe a la formación y ruptura de dicho enlace.
Cuando la superficie de un objeto roza con la de otro, se produce fricción entre ellos. La fuerza de fricción sobre el objeto en movimiento siempre actúa en sentido contrario a su dirección de movimiento. Además de dificultar el movimiento, la fricción puede causar desgaste y daños. Podemos observar esto en el motor de un vehículo. Por ejemplo, al lubricar el motor de una motocicleta, buscamos reducir la fricción interna. Si no se lubrica, el motor se daña rápidamente. Este ejemplo ilustra las pérdidas causadas por la fricción.
2. Tipos de fuerzas de fricción
Existen dos tipos de fuerzas de fricción: la fuerza de fricción estática (f s ) y la fuerza de fricción cinética (f k ). La fuerza de fricción estática actúa cuando el objeto está en reposo, mientras que la fuerza de fricción cinética actúa cuando el objeto está en movimiento. Si empujas una mesa, pero esta permanece inmóvil, la fuerza de fricción que actúa sobre ella es la fuerza de fricción estática. Por el contrario, cuando la mesa se mueve, la fuerza de fricción que actúa sobre ella es la fuerza de fricción cinética. Si la mesa en movimiento no se empuja continuamente, se detendrá después de un tiempo. Esto se debe a la fuerza de fricción cinética, que bloquea su movimiento.
¿Alguna vez te has resbalado al pisar algo liso? Cuando te resbalas, la fuerza de fricción que actúa entre la base del zapato o la suela de la sandalia y la superficie lisa es la fricción cinética. Este problema es similar al que se produce cuando una motocicleta o un coche circula sobre una superficie mojada y lisa, frenando hasta que la rueda patina. Cuando las ruedas patinan, la fuerza de fricción que actúa sobre la superficie de la rueda y la carretera es la fricción cinética. Por el contrario, al caminar, la fuerza de fricción que actúa entre la base del zapato o la suela de la sandalia y el suelo es la fricción estática. Del mismo modo, cuando las ruedas no patinan, la fuerza de fricción que actúa sobre la superficie de la rueda y la carretera es la fricción estática.
2.1 Fuerza de fricción estática
La fuerza de fricción estática es la fuerza de fricción que actúa sobre la superficie de los objetos que se tocan entre sí cuando aún no se han movido.
La Figura 1 muestra un objeto que aún se encuentra sobre la superficie de un plano. Si el objeto aún no se ha movido, la fuerza de fricción estática (fs) es menor que la fuerza de tracción (F). Si se continúa tirando de él, el objeto se moverá. Cuando el objeto se mueva, la magnitud de la fuerza de fricción estática (fs) será menor que la fuerza de tracción (F).s) es igual a la magnitud de la fuerza de tracción (F).
La primera ley de Newton establece que los objetos están en reposo si la fuerza total (fuerza resultante) es cero.
ΣF y = 0 (El objeto está en reposo y no se mueve en dirección vertical)
N – w = 0
N = w (1.2)
Sustituya N en la ecuación 1.1 por N en la ecuación 1.2.
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = fricción estática (N), μs = coeficiente de fricción estática, N = fuerza normal (N), w = gravedad (N), m = masa (kg), g = aceleración de la gravedad (m/ s² )
Si desea determinar el coeficiente de fricción estática, utilice la ecuación 1.1 b.
Σf x = 0 (El objeto está en reposo y no se mueve en dirección horizontal)
F – f s = 0
F = f s (1.4)
Cuando el objeto comienza a moverse, la fuerza de fricción estática máxima es igual a la magnitud de la fuerza de empuje o tracción.
2.2 Fuerza de fricción cinética
La fuerza de fricción cinética es la fuerza de fricción que actúa sobre la superficie de los objetos que se tocan entre sí cuando un objeto está en movimiento.
Si desea determinar el coeficiente de fricción cinética (μ k ), utilice la ecuación 1.5 b
La figura 2 muestra un objeto que se tira de forma continua para que se mueva a velocidad constante. Cuando se mueve a velocidad constante, la magnitud de la fuerza de fricción cinética (fk) es igual a la magnitud de la fuerza de tracción (F).
La primera ley de Newton establece que un objeto se mueve a velocidad constante si la fuerza total (fuerza resultante) es cero.
ΣF x = 0 (los objetos se mueven a velocidad constante en dirección horizontal)
F – f k = 0
F = f k (1.6)
Problema de ejemplo 1:
Un estudiante tira de una viga de 1 kg de masa situada sobre la superficie de una mesa utilizando un dinamómetro (un dispositivo para medir la fuerza). Cuando la viga se mueve, el dinamómetro muestra una fuerza de 2 N. Si la aceleración de la gravedad es de 10 m/s² , determine (a) la magnitud de la fuerza de fricción estática y (b) el coeficiente de fricción estática.
La Solución:
Datos conocidos : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Cuando la viga se mueva, la magnitud de la fuerza de fricción estática será igual a la magnitud de la fuerza de tracción (compárese con la ecuación 1.4). Por lo tanto, f s = F = 2 N.
(b) μ s
f s = μ s w
2 N = (μ s )(10 N)
μ s = 2 N / 10 N = 0.2
Problema de ejemplo 2:
Una viga con una masa de 1 kg situada sobre la superficie de una mesa se tira regularmente de manera que se mueva a velocidad constante. Cuando la viga se mueve a velocidad constante, el dinamómetro muestra el número 1 N. Si la aceleración de la gravedad = 10 m/s² , determine (a) la magnitud de la fuerza de fricción cinética y (b) el coeficiente de fricción cinética.
La Solución:
Datos conocidos: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Cuando la viga se mueve regularmente o a una velocidad constante, la magnitud de la fuerza de fricción cinética es igual a la magnitud de la fuerza de tracción (compárese con la ecuación 1.6).
Entonces f k = F = 1 N
(b) μ k
f k = μ k w
1 N = (μ k )(10 N)
μ k = 1 N / 10 N = 0.1
