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Fuerza de rozamientoLa fuerza de rozamiento es una fuerza que aparece cuando hay doscuerpos en contacto y es una fuerza muy importante cuando se estudia elmovimiento de los cuerpos. Es la causante, por ejemplo, de que podamos andar(cuesta mucho más andar sobre una superficie con poco rozamiento, hielo, porejemplo, que por una superficie con rozamiento como, por ejemplo, un suelorugoso).
Existe rozamiento incluso cuando no hay movimiento relativo entre los doscuerpos que están en contacto. Hablamos entonces de Fuerza de rozamiento estática. Por ejemplo, si queremos empujar un armario muy grande y hacemosuna fuerza pequeña, el armario no se moverá. Esto es debido a la fuerza de rozamiento estática que se opone al movimiento. Si aumentamos la fuerza con laque empujamos, llegará un momento en que superemos está fuerza de rozamiento yserá entonces cuando el armario se pueda mover, tal como podemos observar enla animación que os mostramos aquí. Una vez que el cuerpo empieza a moverse,hablamos de fuerza de rozamiento dinámica. Esta fuerza de rozamientodinámica esmenor que la fuerza de rozamiento estática.
La experiencia nos muestra que:
la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos no depende del tamaño de la superficie de contacto entre los dos cuerpos, pero sí depende de cúal sea la naturaleza de esa superficie de contacto, es decir, de que materiales la formen y si es más o menos rugosa.
la magnitud de la fuerza de rozamiento entre dos cuerpos en contacto es proporcional a la normal entre los doscuerpos, es decir:
Fr = ·N
donde es lo que conocemos como coeficiente de rozamiento.
Hay dos coeficientes de rozamiento: el estático, e, y el cinético, c, siendo el primero mayor que el segundo:
e > c
Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, a la fuerza entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas imperfecciones hacen que la fuerza perpendicular R entre ambas superficies no lo sea perfectamente, si no que forme un ángulo φ con la normal N (el ángulo de rozamiento). Por tanto, la fuerza resultante se compone de la fuerza normal N (perpendicular a las superficies en contacto) y de la fuerza de rozamiento F, paralela a las superficies en contacto.
Rozamiento entre superficies de dos sólidos[editar · editar
código]
En el rozamiento entre dos cuerpos se ha observado los siguientes hechos:
1. La fuerza de rozamiento tiene dirección paralela a la superficie de apoyo.
2. El coeficiente de rozamiento depende exclusivamente de la naturaleza de
los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus
superficies.
3. La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza
normal que actúa entre las superficies de contacto.
4. Para un mismo par de cuerpos (superficies de contacto), el rozamiento es
mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando ya
ha comenzado (estático Vs. cinético).
El rozamiento puede variar en una medida mucho menor debido a otros factores:
1. El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de
las superficies de contacto.
2. El coeficiente de rozamiento cinético es prácticamente independiente de
la velocidad relativa entre los móviles.
3. La fuerza de rozamiento puede aumentar ligeramente si los cuerpos
llevan mucho tiempo sin moverse uno respecto del otro ya que pueden
sufrir atascamiento entre sí.
Algunos autores sintetizan las leyes del comportamiento de la fricción en los
siguientes dos postulados básicos:1
1. La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es
proporcional a la fuerza normal ejercida entre los mismos.
2. La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es
independiente de las dimensiones de contacto entre ambos.
La segunda ley puede ilustrarse arrastrando un bloque sobre una superficie
plana. La fuerza de arrastre será la misma aunque el bloque descanse sobre la
cara ancha o sobre un borde más angosto. Estas leyes fueron establecidas
primeramente por Leonardo da Vinci al final del siglo XV, olvidándose después
durante largo tiempo; posteriormente fueron redescubiertas por el ingeniero
francés Amontons en 1699. Frecuentemente se les denomina también leyes de
Amontons.
Tipos de fricción[editar · editar código]
Fig. 2 - Diagrama de fuerzas para el esquema de la figura 1. Según sea la magnitud del
empuje Thabrá fricción estática (equilibrio) o cinética (con movimiento).
Existen dos tipos de rozamiento o fricción, la fricción estática (FE) y la fricción
dinámica (FD). El primero es la resistencia que se debe superar para poner en
movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto. El
segundo, es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al
movimiento pero una vez que éste ya comenzó. En resumen, lo que diferencia a
un roce con el otro, es que el estático actúa cuando los cuerpos están en reposo
relativo en tanto que el dinámico lo hace cuando ya están en movimiento.
La fuerza de fricción estática, necesaria para vencer la fricción homóloga, es
siempre menor o igual al coeficiente de rozamiento entre los dos objetos
(número medido empíricamente y que se encuentra tabulado) multiplicado por
la fuerza normal. La fuerza cinética, en cambio, es igual al coeficiente de
rozamiento dinámico, denotado por la letra griega , por la normal en todo
instante.
No se tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento
dinámico y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es algo mayor que
el dinámico, porque al permanecer en reposo ambas superficies pueden
aparecer enlaces iónicos, o incluso microsoldaduras entre las superficies,
factores que desaparecen en estado de movimiento. Éste fenómeno es tanto
mayor cuanto más perfectas son las superficies. Un caso más o menos común
es el del gripaje de un motor por estar mucho tiempo parado (no sólo se arruina
por una temperatura muy elevada), ya que al permanecer las superficies, del
pistón y la camisa, durante largo tiempo en contacto y en reposo, pueden llegar
a soldarse entre sí.
Un ejemplo bastante común de fricción dinámica es la ocurrida entre los
neumáticos de un auto y el pavimento en un frenado abrupto.
Como comprobación de lo anterior, se realiza el siguiente ensayo, sobre una
superficie horizontal se coloca un cuerpo, y le aplica un fuerza horizontal F , muy
pequeña en un principio, se puede ver que el cuerpo no se desplaza, la fuerza
de rozamiento iguala a la fuerza aplicada y el cuerpo permanece en reposo, en
la gráfica se representa en el eje horizontal la fuerza F aplicada, y en el eje
vertical la fuerza de rozamiento Fr.
Entre los puntos O y A, ambas fuerzas son iguales y el cuerpo permanece
estático; al sobrepasar el punto A el cuerpo súbitamente se comienza a
desplazar, la fuerza ejercida en A es la máxima que el cuerpo puede soportar sin
deslizarse, se denominaFe o fuerza estática de fricción; la fuerza necesaria
para mantener el cuerpo en movimiento una vez iniciado el desplazamiento
es Fd o fuerza dinámica, es menor que la que fue necesaria para iniciarlo (Fe).
La fuerza dinámica permanece constante.
Si la fuerza de rozamiento Fr es proporcional a la normal N, y a la constante de
proporcionalidad se la llama :
Y permaneciendo la fuerza normal constante, se puede calcular dos coeficientes
de rozamiento: el estático y el dinámico como:
donde el coeficiente de rozamiento estático corresponde al de la mayor
fuerza que el cuerpo puede soportar inmediatamente antes de iniciar el
movimiento y el coeficiente de rozamiento dinámico corresponde a la
fuerza necesaria para mantener el cuerpo en movimiento una vez iniciado.
Fricción estática[editar · editar código]
Es la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento. Sobre un cuerpo en reposo
al que se aplica una fuerza horizontal F, intervienen cuatro fuerzas:
F: la fuerza aplicada.
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que
se opone al deslizamiento.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la
gravedad.
N: la fuerza normal, con la que la superficie reacciona sobre el cuerpo
sosteniéndolo.
Dado que el cuerpo está en reposo la fuerza aplicada y la fuerza
de rozamiento son iguales, y el peso del cuerpo y la normal:
Se sabe que el peso del cuerpo P es el producto de su masa por
la aceleración de la gravedad (g), y que la fuerza de rozamiento
es el coeficiente estático por la normal:
esto es:
La fuerza horizontal F máxima que se puede aplicar a
un cuerpo en reposo es igual al coeficiente de
rozamiento estático por su masa y por la aceleración
de la gravedad.
Rozamiento dinámico[editar · editar código]
Dado un cuerpo en movimiento sobre una superficie
horizontal, deben considerarse las siguientes fuerzas:
F: la fuerza aplicada.
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que
se opone al deslizamiento.
Fi: fuerza de inercia, que se opone a la aceleración de cuerpo, y que es
igual a la masa del cuerpo m por la aceleración que sufre a.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la
gravedad.
N: la fuerza normal, que la superficie hace sobre el cuerpo sosteniéndolo.
Como equilibrio dinámico, se
puede establecer que:
Sabiendo que:
Rozamiento entre superficies de dos sólidos[editar · editar
código]
En el rozamiento entre dos cuerpos se ha observado los siguientes hechos:
1. La fuerza de rozamiento tiene dirección paralela a la superficie de apoyo.
2. El coeficiente de rozamiento depende exclusivamente de la naturaleza de
los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus
superficies.
3. La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza
normal que actúa entre las superficies de contacto.
4. Para un mismo par de cuerpos (superficies de contacto), el rozamiento es
mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando ya
ha comenzado (estático Vs. cinético).
El rozamiento puede variar en una medida mucho menor debido a otros factores:
1. El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de
las superficies de contacto.
2. El coeficiente de rozamiento cinético es prácticamente independiente de
la velocidad relativa entre los móviles.
3. La fuerza de rozamiento puede aumentar ligeramente si los cuerpos
llevan mucho tiempo sin moverse uno respecto del otro ya que pueden
sufrir atascamiento entre sí.
Algunos autores sintetizan las leyes del comportamiento de la fricción en los
siguientes dos postulados básicos:1
1. La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es
proporcional a la fuerza normal ejercida entre los mismos.
2. La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es
independiente de las dimensiones de contacto entre ambos.
La segunda ley puede ilustrarse arrastrando un bloque sobre una superficie
plana. La fuerza de arrastre será la misma aunque el bloque descanse sobre la
cara ancha o sobre un borde más angosto. Estas leyes fueron establecidas
primeramente por Leonardo da Vinci al final del siglo XV, olvidándose después
durante largo tiempo; posteriormente fueron redescubiertas por el ingeniero
francés Amontons en 1699. Frecuentemente se les denomina también leyes de
Amontons.
Tipos de fricción[editar · editar código]
Fig. 2 - Diagrama de fuerzas para el esquema de la figura 1. Según sea la magnitud del
empuje Thabrá fricción estática (equilibrio) o cinética (con movimiento).
Existen dos tipos de rozamiento o fricción, la fricción estática (FE) y la fricción
dinámica (FD). El primero es la resistencia que se debe superar para poner en
movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto. El
segundo, es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al
movimiento pero una vez que éste ya comenzó. En resumen, lo que diferencia a
un roce con el otro, es que el estático actúa cuando los cuerpos están en reposo
relativo en tanto que el dinámico lo hace cuando ya están en movimiento.
La fuerza de fricción estática, necesaria para vencer la fricción homóloga, es
siempre menor o igual al coeficiente de rozamiento entre los dos objetos
(número medido empíricamente y que se encuentra tabulado) multiplicado por
la fuerza normal. La fuerza cinética, en cambio, es igual al coeficiente de
rozamiento dinámico, denotado por la letra griega , por la normal en todo
instante.
No se tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento
dinámico y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es algo mayor que
el dinámico, porque al permanecer en reposo ambas superficies pueden
aparecer enlaces iónicos, o incluso microsoldaduras entre las superficies,
factores que desaparecen en estado de movimiento. Éste fenómeno es tanto
mayor cuanto más perfectas son las superficies. Un caso más o menos común
es el del gripaje de un motor por estar mucho tiempo parado (no sólo se arruina
por una temperatura muy elevada), ya que al permanecer las superficies, del
pistón y la camisa, durante largo tiempo en contacto y en reposo, pueden llegar
a soldarse entre sí.
Un ejemplo bastante común de fricción dinámica es la ocurrida entre los
neumáticos de un auto y el pavimento en un frenado abrupto.
Como comprobación de lo anterior, se realiza el siguiente ensayo, sobre una
superficie horizontal se coloca un cuerpo, y le aplica un fuerza horizontal F , muy
pequeña en un principio, se puede ver que el cuerpo no se desplaza, la fuerza
de rozamiento iguala a la fuerza aplicada y el cuerpo permanece en reposo, en
la gráfica se representa en el eje horizontal la fuerza F aplicada, y en el eje
vertical la fuerza de rozamiento Fr.
Entre los puntos O y A, ambas fuerzas son iguales y el cuerpo permanece
estático; al sobrepasar el punto A el cuerpo súbitamente se comienza a
desplazar, la fuerza ejercida en A es la máxima que el cuerpo puede soportar sin
deslizarse, se denominaFe o fuerza estática de fricción; la fuerza necesaria
para mantener el cuerpo en movimiento una vez iniciado el desplazamiento
es Fd o fuerza dinámica, es menor que la que fue necesaria para iniciarlo (Fe).
La fuerza dinámica permanece constante.
Si la fuerza de rozamiento Fr es proporcional a la normal N, y a la constante de
proporcionalidad se la llama :
Y permaneciendo la fuerza normal constante, se puede calcular dos coeficientes
de rozamiento: el estático y el dinámico como:
donde el coeficiente de rozamiento estático corresponde al de la mayor
fuerza que el cuerpo puede soportar inmediatamente antes de iniciar el
movimiento y el coeficiente de rozamiento dinámico corresponde a la
fuerza necesaria para mantener el cuerpo en movimiento una vez iniciado.
Fricción estática[editar · editar código]
Es la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento. Sobre un cuerpo en reposo
al que se aplica una fuerza horizontal F, intervienen cuatro fuerzas:
F: la fuerza aplicada.
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que
se opone al deslizamiento.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la
gravedad.
N: la fuerza normal, con la que la superficie reacciona sobre el cuerpo
sosteniéndolo.
Dado que el cuerpo está en reposo la fuerza aplicada y la fuerza de rozamiento
son iguales, y el peso del cuerpo y la normal:
Se sabe que el peso del cuerpo P es el producto de su masa por la aceleración
de la gravedad (g), y que la fuerza de rozamiento es el coeficiente estático por la
normal:
esto es:
La fuerza horizontal F máxima que se puede aplicar a un cuerpo en reposo es
igual al coeficiente de rozamiento estático por su masa y por la aceleración de la
gravedad.
Rozamiento dinámico[editar · editar código]
Dado un cuerpo en movimiento sobre una superficie horizontal, deben
considerarse las siguientes fuerzas:
F: la fuerza aplicada.
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que se
opone al deslizamiento.
Fi: fuerza de inercia, que se opone a la aceleración de cuerpo, y que es igual a la
masa del cuerpo m por la aceleración que sufre a.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la gravedad.
N: la fuerza normal, que la superficie hace sobre el cuerpo sosteniéndolo.
Como equilibrio dinámico, se puede establecer que:
Sabiendo que:
se puede reescribir la segunda ecuación de equilibrio dinámico como:
Es decir, la fuerza resultante F aplicada a un cuerpo es igual a la fuerza de
rozamiento Fr mas la fuerza de inercia Fi que el cuerpo opone a ser acelerado.
De lo que también se puede deducir:
Con lo que se tiene la aceleración a que sufre el cuerpo, al aplicarle una
fuerza F mayor que la fuerza de rozamiento Fr con la superficie sobre la que se
apoya.
Rozamiento en un plano inclinadoRozamiento estático
Si sobre una línea horizontal r, se tiene un plano inclinado un ángulo , y sobre
este plano inclinado se coloca un cuerpo con rozamiento, se tendrán tres fuerzas
que intervienen:
P: el peso del cuerpo vertical hacia abajo según la recta u, y con un valor igual a
su masa por la aceleración de la gravedad: P = mg.
N: la fuerza normal que hace el plano sobre el cuerpo, perpendicular al plano
inclinado, según la recta t
Fr: la fuerza de rozamiento entre el plano y el cuerpo, paralela al plano inclinado
y que se opone a su deslizamiento.
Si el cuerpo está en equilibrio, no se desliza, la suma vectorial de estas tres
fuerzas es cero:
Lo que gráficamente seria un triángulo cerrado formado por estas tres fuerzas,
puestas una a continuación de otra, como se ve en la figura.
Si el peso P del cuerpo se descompone en dos componentes: Pn, peso normal,
perpendicular al plano, que es la componente del peso que el plano inclinado
soporta yPt, peso tangencial, que es la componente del peso tangencial al plano
inclinado y que tiende a desplazar el cuerpo descendentemente por el plano
inclinado. Se puede ver que el Pn se opone a la normal, N, y el peso
tangencial Pt a la fuerza de rozamiento Fr.
Se puede decir que el Pn es la fuerza que el cuerpo ejerce sobre el plano
inclinado y la normal, N, es la fuerza que el plano inclinado hace sobre el cuerpo
impidiendo que se hunda, Pn = N para que este en equilibrio. El peso
tangencial Pt es la fuerza que hace que el cuerpo tienda a deslizarse por el
plano y Fr es la fuerza de rozamiento que impide que el cuerpo se deslice, para
que este en equilibrio Pt = Fr.
Cuando el cuerpo está en equilibrio estas dos ecuaciones determinan la igualdad
de fuerzas, también es necesario saber que:
y que la descomposición del peso es:
Con lo que se determinan las condiciones del equilibrio de un cuerpo en un
plano inclinado con el que tiene fricción. Es de destacar la siguiente relación:
Haciendo la sustitución de N:
que da finalmente como resultado:
El coeficiente de rozamiento estático es igual a la tangente del ángulo del plano
inclinado, en el que el cuerpo se mantiene en equilibrio sin deslizar, ello permite
calcular los distintos coeficientes de rozamiento, simplemente colocando un
cuerpo de un material concreto sobre un plano inclinado del material con el que
se pretende calcular su coeficiente de rozamiento, inclinando el plano
progresivamente se observa el momento en el que el cuerpo comienza a
deslizarse, la tangente de este ángulo es el valor del coeficiente de rozamiento.
Del mismo modo conocido el coeficiente de rozamiento entre dos materiales
podemos saber el ángulo máximo de inclinación que puede soportar sin deslizar
Rozamiento dinámico
En el caso de rozamiento dinámico en un plano inclinado, se tiene un cuerpo que
se desliza, y siendo que está en movimiento, el coeficiente que interviene es el
dinámico , así como una fuerza de inercia Fi, que se opone al movimiento, el
equilibrio de fuerzas se da cuando:
descomponiendo los vectores en sus componentes normales y tangenciales se
tiene:
teniendo en cuenta que:
y como en el caso de equilibrio estático, se tiene:
Con estas ecuaciones se determina las condiciones de equilibrio dinámico del
cuerpo con fricción en un plano inclinado. Si el cuerpo se desliza sin aceleración
(a velocidad constante) su fuerza de inercia Fi será cero, y se puede ver que:
esto es, de forma semejante al caso estático:
con lo que se puede decir que el coeficiente de rozamiento dinámico de un
cuerpo con la superficie de un plano inclinado, es igual a la tangente del ángulo
del plano inclinado con el que el cuerpo se desliza sin aceleración, con velocidad
constante, por el plano
Valores de los coeficientes de fricción
En la tabla se listan
los coeficientes de
rozamiento de
algunas sustancias
donde
Coeficiente de
rozamiento estático,
Coeficiente de
rozamiento
dinámico.
Los
coeficientes
de
rozamiento,
por ser
relaciones
entre dos
fuerzas
son magnitudes adimensionales .
Rozamiento entre sólido y fluido
La fricción aerodinámica depende del régimen o tipo de flujo que exista alrededor del
cuerpo en movimiento:
Cuando el flujo es laminar la fuerza de oposición al avance puede modelizarse como
proporcional a la velocidad del cuerpo, un ejemplo de este tipo de resistencia
aerodinámica es la ley de Stokes para cuerpos esféricos.
Coeficientes de rozamiento de algunas sustancias[cita requerida]
Materiales en contacto
Articulaciones humanas 0,02 0,003
Acero // Hielo 0,028 0,09
Acero // Teflón 0,04 0,04
Teflón // Teflón 0,04 0,04
Hielo // Hielo 0,1 0,03
Esquí (encerado) // Nieve (0 °C) 0,1 0,05
Acero // Acero 0,15 0,09
Vidrio // Madera 0,25 0,2
Caucho // Cemento (húmedo) 0,3 0,25
Madera // Cuero 0,5 0,4
Caucho // Madera 0,7 0,6
Acero // Latón 0,5 0,4
Madera // Madera 0,7 0,4
Madera // Piedra 0,7 0,3
Vidrio // Vidrio 0,9 0,4
Caucho // Cemento (seco) 1 0,8
Cobre // Hierro (fundido) 1 0,3
Cuando el cuerpo se mueve rápidamente el flujo se vuelve turbulento y se producen
remolinos alrededor del cuerpo en movimiento, y como resultado la fuerza de resistencia
al avance es proporcional al cuadrado de la velocidad (v2), de hecho, es proporcional a
la presión aerodinámica.
Rozamiento con lubricación
Una cuestión de interés práctico es un problema mixto donde pueden aparecer tanto
fenómenos de rozamiento entre sólidos como entre fluido y sólido, dependiendo de la
velocidad. Se trata del caso de dos superficies sólidas entre las cuales existe una fina
capa de fluido. Stribeck2 demostró que a muy bajas velocidades predomina un
rozamiento como el que ocurre entre dos superficies secas, y a velocidades muy altas
predomina un rozamiento hidrodinámico. La mínima fricción se alcanza para una
velocidad intermedia dependiente de la presión del fluido, su "viscosidad cinemática".
Rozamiento en medios fluidos
La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido que está siendo deformado
por una presión, una tensión tangencial o una combinación de tensiones internas. En
términos generales, es la resistencia de un líquido a fluir, comúnmente dicho, es su
"espesor". Viscosidad describe la resistencia interna de un líquido a fluir y puede ser
pensado como una medida de la fricción del fluido. Así, el agua es "delgada", ya que
tiene baja viscosidad, mientras que el aceite vegetal es "densa", con una mayor
viscosidad. Todos los fluidos reales (excepto los superfluidos) tienen cierta resistencia a
la tensión. Un fluido que no tiene resistencia al esfuerzo cortante se conoce como un
fluido ideal o líquido no viscoso.
Por ejemplo, un magma de alta viscosidad creará un volcán alto, porque no se puede
propagar hacia abajo con suficiente rapidez; la lava de baja viscosidad va a crear un
volcán en escudo, que es grande y ancho. El estudio de la viscosidad se conoce
como reología.
El modelo más simple de fluido viscoso lo constituyen los fluidos newtonianos en los
cuales el vector tensión, debido al rozamiento entre unas capas de fluido y otras, viene
dado por:
Donde:
, son las componentes de la velocidad.
son las coordenadas cartesinas (x, y, z).
Para un flujo unidimensional la anterior ecuación se reduce a la conocida expresión:
Leyes del rozamiento para cuerpos sólidos[editar]
La fuerza de rozamiento es de igual dirección y sentido contrario al
movimiento del cuerpo
En el movimiento de un automóvil la fuerza de rozamiento es la responsable de
mover el auto hacia adelante y en este caso acompaña al movimiento. El auto no
puede ejercer fuerza sobre si mismo.
La fuerza de rozamiento es prácticamente independiente del área de la
superficie de contacto.
La fuerza de rozamiento depende de la naturaleza de los cuerpos en
contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies.
La fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que
actúa entre las superficies de contacto.
Para un mismo par de cuerpos, el rozamiento es mayor en el momento de
arranque que cuando se inicia el movimiento.
La fuerza de rozamiento es prácticamente independiente de la velocidad con
que se desplaza un cuerpo sobre otro
Formulación matemática[editar]
Existen dos tipos de roce: El estático y el cinético o dinámico. El primero es
aquel que impide que un objeto inicie un movimiento y es igual a la fuerza neta
aplicada sobre el cuerpo, solo que con sentido opuesto (ya que impide el
movimiento). El segundo es una fuerza de magnitud constante que se opone al
movimiento una vez que éste ya comenzó. En resumen, lo que diferencia a un
roce con el otro es que el estático actúa cuando el cuerpo está quieto y el
dinámico cuando está en movimiento.
El roce estático es siempre menor o igual al coeficiente de roce entre los dos
objetos (número que se mide experimentalmente y está tabulado) multiplicado
por la fuerza normal. El roce dinámico, en cambio, es igual al coeficiente de
rozamiento, denotado por la letra griega , por la normal en todo instante. No se
tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento dinámico
y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es mayor que el dinámico,
porque al permanecer en reposo ambas superficies, pueden aparecer enlaces
iónicos, o incluso micro soldaduras entre las superficies. Éste fenómeno es tanto
mayor cuanto más perfectas son las superficies. Un caso más o menos común
es el del gripaje de un motor por estar mucho tiempo parado (no solo se gripa
por una temperatura muy elevada), ya que al permanecer las superficies del
pistón y la camisa durante largo tiempo en contacto y en reposo, pueden llegar a
soldarse entre sí.
El rozamiento entre dos superficies en contacto ha sido aprovechado por nuestros antepasados más remotos para hacer fuego frotando maderas. En nuestra época, el rozamiento tiene una gran importancia económica, se estima que si se le prestase mayor atención se podría ahorrar muchísima energía y recursos económicos.
Históricamente, el estudio del rozamiento comienza con Leonardo da Vinci que dedujo las leyes que gobiernan el movimiento de un bloque rectangular que desliza sobre una superficie plana. Sin embargo, este estudio pasó desapercibido.
En el siglo XVII Guillaume Amontons, físico francés, redescubrió las leyes del rozamiento estudiando el deslizamiento seco de dos superficies planas. Las conclusiones de Amontons son esencialmente las que estudiamos en los libros de Física General:
La fuerza de rozamiento se opone al movimiento de un bloque que desliza sobre un plano.
La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque.
La fuerza de rozamiento no depende del área aparente de contacto.
El científico francés Coulomb añadió una propiedad más
Una vez empezado el movimiento, la fuerza de rozamiento es independiente de la velocidad.
Explicación del origen del rozamiento por contacto
La mayoría de las superficies, aún las que se consideran pulidas son extremadamente rugosas a escala microscópica. Los picos de las dos superficies que se ponen en contacto determinan el área real de contacto que es una pequeña proporción del área aparente de contacto (el área de la base del bloque). El área real de contacto aumenta cuando aumenta la presión (la fuerza normal) ya que los picos se deforman.
Los metales tienden a soldarse en frío, debido a las fuerzas de atracción que ligan a las moléculas de una superficie con las moléculas de la otra. Estas soldaduras tienen que romperse para que el deslizamiento se produzca. Además, existe siempre la incrustación de los picos con los valles. Este es el origen del rozamiento estático.
Cuando el bloque desliza sobre el plano, las soldaduras en frío se rompen y se rehacen constantemente. Pero la cantidad de soldaduras que haya en cualquier momento se reduce por debajo del valor estático, de modo que el coeficiente de rozamiento cinético es menor que el coeficiente de rozamiento estático.
Finalmente, la presencia de aceite o de grasa en las superficies en contacto evita las soldaduras al revestirlas de un material inerte.
La explicación de que la fuerza de rozamiento es independiente del área de la superficie aparente de contacto es la siguiente:
En la figura, la superficie más pequeña de un bloque está situada sobre un plano. En el dibujo situado arriba, vemos un esquema de lo que se vería al microscopio: grandes deformaciones de los picos de las dos superficies que están en contacto. Por cada unidad de superficie del bloque, el área de contacto real es relativamente grande (aunque esta es una pequeña fracción de la superficie aparente de contacto, es decir, el área de la base del bloque).
En la figura, la superficie más grande del bloque está situada sobre el plano. El dibujo muestra ahora que las deformaciones de los picos en contacto son ahora más pequeñas por que la presión es más pequeña. Por tanto, un área relativamente más pequeña está en contacto real por unidad de superficie del bloque. Como el área aparente en contacto del bloque es mayor, se deduce que el área real total de contacto es esencialmente la misma en ambos casos.
Ahora bien, las investigaciones actuales que estudian el rozamiento a escala atómica demuestran que la explicación dada anteriormente es muy general y que la naturaleza de la fuerza de rozamiento es muy compleja (Véase el artículo titulado "Rozamiento a escala atómica" en la bibliografía de este capítulo.
La fuerza normal
La fuerza normal, reacción del plano o fuerza que ejerce el plano sobre el bloque depende del peso del bloque, la inclinación del plano y de otras fuerzas que se ejerzan sobre el bloque.
Supongamos que un bloque de masa m está en reposo sobre una superficie horizontal, las únicas fuerzas que actúan sobre él son el peso mg y la fuerza y la fuerza normal N. De las condiciones de equilibrio se obtiene que la fuerza normal N es igual al peso mg
N=mg
Si ahora, el plano está inclinado un ángulo , el bloque está en equilibrio en sentido perpendicular al plano inclinado por lo que la fuerza normal N es igual a la componente del peso perpendicular al plano, N=mg·cos
Consideremos de nuevo el bloque sobre la superficie horizontal. Si además atamos una cuerda al bloque que forme un ángulo con la horizontal, la fuerza normal deja de ser igual al peso. La condición de equilibrio en la dirección perpendicular al plano establece N+ F·sen =mg
Fuerza de rozamiento por deslizamiento
En la figura, se muestra un bloque arrastrado por una fuerza F horizontal. Sobre el bloque actúan el peso mg, la fuerza normal Nque es igual al peso, y la fuerza de rozamiento Fk entre el bloque y el plano sobre el cual desliza. Si el bloque desliza con velocidad constante la fuerza aplicada F será igual a la fuerza de rozamiento por deslizamiento Fk.
Podemos investigar la dependencia de Fk con la fuerza normal N. Veremos que si duplicamos la masa m del bloque que desliza colocando encima de éste otro igual, la fuerza normal N se duplica, la fuerza F con la que tiramos del bloque se duplica y por tanto,Fk se duplica.
La fuerza de rozamiento por deslizamiento Fk es proporcional a la fuerza normal N.
Fk=k N
La constante de proporcionalidad k es un número sin dimensiones que se denomina coeficiente de rozamiento cinético.
El valor de k es casi independiente del valor de la velocidad para velocidades relativas pequeñas entre las superficies, y decrece lentamente cuando el valor de la velocidad aumenta.
Fuerza de rozamiento estático
También existe una fuerza de rozamiento entre dos objetos que no están en movimiento relativo.
Como vemos en la figura, la fuerza F aplicada sobre el bloque aumenta gradualmente, pero el bloque permanece en reposo. Como la aceleración es cero la fuerza aplicada es igual y opuesta a la fuerza de rozamiento Fs.
F=Fs
La máxima fuerza de rozamiento corresponde al instante en el que el bloque está a punto de deslizar.
Fs máx=sN
La constante de proporcionalidads se denomina coeficiente de rozamiento estático.
Los coeficientes estático y cinético dependen de las condiciones de preparación y de la naturaleza de las dos superficies y son casi independientes del área de la superficie de contacto.
