1. Definición de forza de rozamento
A fricción é unha forza de arrastre que se produce entre as superficies dos obxectos que se tocan. Neste tema, a forza de fricción estudada está relacionada coa forza de fricción que actúa entre dúas superficies de corpos sólidos que se tocan. Como a fricción entre a base da viga e a superficie do chan, a fricción entre a base da zapata e a superficie do chan, a fricción entre as rodas do coche e a superficie da estrada.
A forza de fricción sempre actúa sobre a superficie dos obxectos sólidos que se tocan entre si, mesmo sendo moi lisos. Mesmo as superficies lisas son en realidade moi rugosas a escala microscópica. Cando un obxecto se move, estas cristas microscópicas interfiren co movemento. A nivel atómico, unha protuberancia na superficie fai que os átomos estean moi preto doutras superficies, de xeito que as forzas eléctricas entre os átomos poden formar enlaces químicos, como unha unión entre dúas superficies dun obxecto en movemento. Cando un obxecto se move, por exemplo, cando se empurra un libro contra a superficie da mesa, o movemento do libro experimenta obstáculos e finalmente detense. Isto débese á formación e liberación do enlace.
Se a superficie dun obxecto roza contra a superficie doutro obxecto, cada un destes obxectos traballa sobre a fricción entre si. A forza de fricción sobre o obxecto en movemento é sempre na dirección oposta á dirección do movemento do obxecto. Ademais de inhibir o movemento dos obxectos, a fricción pode causar desgaste e danos. Podemos observar isto no motor dun vehículo. Por exemplo, cando lle proporcionamos aceite lubricante ao motor dunha motocicleta, en realidade queremos reducir a forza de fricción que se produce dentro do motor. Se non se lle proporciona aceite lubricante, o motor do noso vehículo danase rapidamente. Este exemplo é unha das perdas causadas pola fricción.
2. Tipos de forzas de fricción
Hai dous tipos de forzas de fricción, concretamente a forza de fricción estática (f s ) e a forza de fricción cinética (f k ). A forza de fricción estática funciona cando o obxecto non se moveu, mentres que a forza de fricción cinética funciona cando o obxecto está en movemento. Se empurras unha mesa, pero a mesa non se moveu, entón a forza de fricción que actúa sobre a mesa que está en repouso é unha forza de fricción estática. Pola contra, cando a mesa está en movemento, a forza de fricción que actúa sobre a mesa é fricción cinética. Se a mesa en movemento non se empurra sempre, a mesa deterase despois de moverse durante un tempo. A mesa detense debido á forza de fricción cinética que bloquea o movemento da mesa.
Algunha vez esvaraste ao pisar algo liso? Cando esvaras, a forza de fricción que actúa entre a base do zapato ou a sola dunha sandalia cunha superficie lisa é a fricción cinética. Este problema é similar a cando unha motocicleta ou un coche se move sobre unha superficie de estrada mollada e lisa, freando ata que a roda esvara. Cando as rodas esvaran, a forza de fricción que actúa sobre a superficie da roda e a superficie da estrada é a forza de fricción cinética. Pola contra, cando camiñas, a forza de fricción que actúa entre a base do zapato ou a sola das sandalias coa superficie do chan é unha forza de fricción estática. Do mesmo xeito, cando as rodas non esvaran, a forza de fricción que actúa sobre a superficie da roda e a estrada é a fricción estática.
2.1 Forza de rozamento estática
A forza de rozamento estática é a forza de rozamento que actúa sobre a superficie dos obxectos que se tocan cando os obxectos aínda non se moveron.
A figura 1 mostra un obxecto que aínda está na superficie dun plano. Se o obxecto aínda non se moveu, a forza de fricción estática (fs) é menor que a forza de tracción (F). Se continúa a ser tirado, o obxecto moverase. Cando o obxecto correcto se move, a magnitude da forza de fricción estática (fs) é igual á magnitude da forza de tracción (F).
A primeira lei de Newton afirma que os obxectos están en repouso se a forza total (forza resultante) é cero.
ΣF y = 0 (O obxecto está en repouso e non se move en dirección vertical)
N – w = 0
N = w (1.2)
Substitúese N na ecuación 1.1 por N na ecuación 1.2
f s = μ s w
f s = μ s mg (1.3)
fs = rozamento estático (N), μs = coeficiente de rozamento estático, N = forza normal (N), w = gravidade (N), m = masa (kg), g = aceleración da gravidade (m/ s² )
Se queres determinar o coeficiente de rozamento estático, usa a ecuación 1.1 b
Σf x = 0 (O obxecto repousa e non se move na dirección horizontal)
F – fs = 0
F = fs ( 1.4)
Cando o obxecto comeza a moverse, a forza de rozamento estática máxima é igual á magnitude da forza de empuxe ou de tracción.
2.2 Forza de fricción cinética
A forza de rozamento cinética é a forza de rozamento que actúa sobre a superficie dos obxectos que se tocan cando un obxecto se move.
Se queres determinar o coeficiente de rozamento cinético (μ k ), usa a ecuación 1.5 b
A figura 2 mostra un obxecto que se tira regularmente de xeito que o obxecto se move a unha velocidade constante. Cando se move a unha velocidade constante, a magnitude da forza de fricción cinética (fk) é igual á magnitude da forza de tracción (F).
A primeira lei de Newton afirma que un obxecto móvese a unha velocidade constante se a forza total (forza resultante) é cero.
ΣF x = 0 (os obxectos móvense a unha velocidade constante na dirección horizontal)
F – fk = 0
F = fk (1.6)
Problema de exemplo 1:
Un estudante tira dunha viga cunha masa de 1 kg que está situada sobre a superficie dunha mesa usando un dinamómetro (un dispositivo para medir a forza). Cando a viga se move, o dinamómetro mostra o número 2 N. Se a aceleración da gravidade = 10 m/s² , determina (a) a magnitude da forza de rozamento estático (b) o coeficiente de rozamento estático.
Solución:
Coñecido : m = 1 kg, F = 2 N, g = 10 m/s² , w = mg = 10 N
(a) f s
Cando a viga se move, a magnitude da forza de fricción estática é igual á magnitude da forza de tracción (compárese a ecuación 1.4). Polo tanto, 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 exemplo 2:
Unha viga cunha masa de 1 kg situada sobre a superficie da mesa é tírada regularmente para que a viga se mova a unha velocidade constante. Cando a viga se move a unha velocidade constante, o dinamómetro mostra o número 1 N. Se a aceleración da gravidade = 10 m/s² , determine (a) a magnitude da forza de rozamento cinético (b) o coeficiente de rozamento cinético
Solución:
Coñecido: m = 1 kg, g = 10 m/s² , F = 1 N, w = mg = 10 N
(a) f k
Cando a viga se move regularmente ou a unha velocidade constante, a magnitude da forza de fricción cinética = a magnitude da forza de tracción (compárese a ecuación 1.6).
Entón f k = F = 1 N
(b) μk
f k = μ k w
1 N = (μk ) (10 N)
μk = 1 N / 10 N = 0.1
