Informe de Laboratorio:
U.M.S.A. CURSO BASICO
LAB.FIS 100 EXPERIMENTO N 4
DOCENTE : ING. ROBERTO PARRA GRUPO 14 ROZAMIENTO FRICCIN
INFORME DE LABORATORIO
ROZAMIENTO O FRICCION
1. OBJETIVOS
Observar y comprobar de forma experimental la existencia de la
fuerza de rozamiento cuando un cuerpo se desliza sobre otro.
Mediante los clculos realizados obtener y diferenciar los dos
tipos de coeficientes de rozamiento (esttico y cintico).
Comprobar que los coeficientes de rozamiento son distintos para
diferentes pares de materiales (madera - madera, madera - vidrio,
madera - lija) y que esta es menor cuanto ms pulimentada estn sus
superficies.
2. FUNDAMENTO TERICO
2.1 Consideraciones previas
Cuando un cuerpo se desliza sobre otro o rueda sobre su
superficie, se origina una fuerza que se opone al movimiento,
llamada de rozamiento. Estas fuerzas deben su origen a las
rugosidades superficiales de los cuerpos, que, ajustndose unas a
otras, frenan el movimiento. Por ello, cuanto ms pulimentadas son
las superficies menor es la fuerza de rozamiento.
Este fenmeno es de una gran importancia tcnica, ya que repercute
evidentemente en el rendimiento de las mquinas. Para evitarlo en lo
posible, se usan en los rganos de las mquinas en que frotan
superficies piezas muy pulimentadas y cojinetes de distintos tipos
y se suavizan adems dichas superficies mediante el empleo de
lubricantes.
Otras veces estas fuerzas de rozamiento son de gran utilidad;
las ruedas del automvil no avanzaran sobre la carretera si en
realidad no fueran "frenadas" por la superficie de aquella;
frecuentemente puede comprobarse cmo en das de lluvia las ruedas de
una locomotora o tranva se mueven sobre las rieles sin avanzar,
debido a que disminuyen las fuerzas de rozamiento; cuando andamos
sobre el hielo resbalamos y caminamos con dificultad por la misma
razn.
2.2 Leyes del rozamiento
Las principales leyes del rozamiento son:
A) La fuerza de rozamiento es siempre de sentido contrario a la
fuerza que empuja al cuerpo. En consecuencia, si el cuerpo llega a
moverse, la fuerza de rozamiento ser de sentido contrario a la
velocidad del cuerpo.
B) El valor de la fuerza de rozamiento es siempre menor o - a lo
sumo - igual que el de la fuerza que empuja al cuerpo. Por
consiguiente, una fuerza de rozamiento nunca es capaz de provocar
el movimiento de un cuerpo, aunque si de frenarlo.
C) La fuerza de rozamiento es prcticamente independientemente de
la superficie de contacto. As por ejemplo, cuando se desliza un
ladrillo por el suelo, la fuerza de rozamiento es siempre la misma,
independientemente de la cara en que se apoye. Es interesante
considerar que la superficie real de contacto entre dos cuerpos es
generalmente muy inferior a la aparente, ya que stos no establecen
contacto en toda la superficie, sino solamente en una pequea parte
de la misma.
D) La fuerza de rozamiento depende de la naturaleza de los
cuerpos en contacto, as como del estado en que se encuentren sus
superficies. Para cada pareja de cuerpos, cuanto ms pulimentadas se
encuentren las superficies en contacto, menor es el rozamiento.
E) La fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la
fuerza normal que acta entre las superficies en contacto. En el
caso ms frecuente, cuando un cuerpo se desliza por un plano
horizontal, la fuerza normal es el peso del cuerpo. Sin embargo, no
siempre es as; por ejemplo, cuando el cuerpo se halla sobre un
plano inclinado, o cuando intervienen fuerzas de origen elctrico o
magntico, adems de las gravitatorias.
F) La fuerza de rozamiento es prcticamente independiente de la
velocidad con que se desplaza un cuerpo sobre otro. En realidad, la
fuerza de rozamiento vara ligeramente con la velocidad, pero esta
variacin es tan pequea que - en la practica - la fuerza puede
considerarse constante.
G) Para un mismo par de cuerpos el rozamiento es mayor en el
momento del arranque que cuando se ha iniciado el movimiento. En
efecto, si sobre un cuerpo apoyado en una superficie se aplica una
fuerza que vaya aumentando paulatinamente, justo hasta que empiece
a moverse, la fuerza que se necesita para mantener este movimiento
es menor que la que ha sido necesaria para iniciarlo. De aqu que
podamos definir dos tipos de fuerzas de rozamiento:
-Fuerza de rozamiento cintica.
Es la fuerza que se opone a que el cuerpo mantenga el movimiento
rectilneo uniforme.
Siempre que la superficie de un cuerpo se desliza sobre otra
superficie, se origina una fuerza de rozamiento paralela a las
superficies. La fuerza sobre cada cuerpo es opuesta al sentido de
su movimiento con respecto al otro. Este tipo de fuerza de
rozamiento se denomina "fuerza de rozamiento por deslizamiento o
fuerza de rozamiento cintica".
La magnitud de esta fuerza de rozamiento esta dada por:
frk = (k ( N
Donde :
(k = Coeficiente rozamiento cintico
N = Fuerza normal
- Fuerza de rozamiento esttica
Es la fuerza que se opone a que el cuerpo deje el estado de
reposo e inicie el movimiento.
La fuerza de rozamiento tambin puede estar presente cuando no
existe movimiento relativo, por ejemplo en el caso descrito a
continuacin.
Una fuerza horizontal es aplicada sobre una pesada caja que se
encuentra sobre el piso en reposo. La magnitud de dicha fuerza
puede no ser suficiente para poner a la caja en movimiento, por
estar equilibrada por otra fuerza denominada "fuerza de rozamiento
esttica, que tambin acta en oposicin al movimiento entre ambos
cuerpos en contacto.
La magnitud de esta fuerza de rozamiento esta dada por:
frs = (s ( N
Donde :
(s = Coeficiente rozamiento esttico
N = Fuerza normal
Tan pronto como comienza el deslizamiento se observa que la
fuerza de rozamiento esttica disminuye. Cuando el cuerpo ya se
encuentra en movimiento est presente la fuerza de rozamiento
cintico.
Los coeficientes de rozamiento dependen principalmente de la
naturaleza de ambas superficies, siendo relativamente grandes
cuando las superficies son speras y pequeas si las superficies son
pulidas.
La fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza
normal que mantiene las dos superficies en contacto, fr = ( ( N,
donde ( es la constante de proporcionalidad.
Pues bien llamamos coeficiente de rozamiento a la constante de
proporcionalidad ( entre la fuerza de rozamiento y la fuerza
normal.
Ahora bien como se han distinguido dos clases de fuerzas de
rozamiento, tambin se debern distinguir dos coeficientes de
rozamiento.
El coeficiente de rozamiento esttico, es el cociente entre la
fuerza de rozamiento esttico apreciada en el momento de iniciarse
el movimiento y la fuerza normal a la superficie de contacto. ((s=
fr / N).
El coeficiente de rozamiento cintico, es el cociente entre la
fuerza de rozamiento cintico apreciada durante el movimiento y la
fuerza normal a la superficie de contacto. ((k= fr / N).
Se sabe de forma experimental que la fuerza necesaria para
mantener un objeto deslizndose a velocidad constante es menor que
la necesaria para ponerlo en movimiento. Es decir que la fuerza de
rozamiento cintica es sensiblemente menor que la fuerza de
rozamiento esttica. En consecuencia, comparando las anteriores
expresiones, se deduce que:
(k ( (s
Para dos superficies de determinados materiales en contacto, el
coeficiente de rozamiento cintico es menor que el coeficiente de
rozamiento esttico.
- Movimiento de un cuerpo por un plano inclinado
Un caso particular, de relativo inters en el estudio de
movimientos de cuerpos sometidos a rozamientos, es el de un cuerpo
situado en un plano inclinado, sobre el cual - independientemente
de otras posibles fuerzas - actan el propio peso del cuerpo y la
fuerza de rozamiento con el plano.
Consideremos un cuerpo que se apoya sobre un plano inclinado, y
sea que deseamos determinar el mnimo ngulo de inclinacin que deber
tener el plano, para que el cuerpo se deslice por accin de su
propio peso.
En principio, descomponemos el peso del cuerpo en dos fuerzas:
una, paralela al plano, Fx, y otra, perpendicular a l, N , cuyos
valores son:
Fx = P ( sen ( = m ( g ( sen ( N = P ( cos ( = m ( g ( cos (La
fuerza N origina una fuerza de reaccin en el plano inclinado, que
la equilibra. Adems, motiva una fuerza de rozamiento, cuyo valor
mximo es:
(s = fr / N fr = (s(N = (s ( m ( g ( cos (Para que comience el
movimiento, se debe verificar que la fuerza Fx alcance justamente
el valor de la fuerza de rozamiento, esto es:
Fx = fr ( m ( g ( sen ( = (s ( m ( g ( cos (sen ( = (s ( cos ((s
= sen ( / cos ( = tan ( = arctan (s
Si el ngulo ( es inferior al valor expresado, el cuerpo
permanecer en reposo sobre el plano inclinado, mientras que si es
superior, descender provisto de un movimiento uniformemente
acelerado.
3. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO
3.1 Materiales
Para la determinacin experimental de los coeficientes de
rozamiento tanto esttico como cintico se han usado principalmente
los siguientes materiales:
( Plano inclinado
( Balanza
( Bloques de madera y sobrepesos( Prensa y regla
( Cronmetro
( Hilo inextensible
3.2 Procedimiento
a) Determinacin del coeficiente de rozamiento esttico. Primero
se arma el plano inclinado con cierto ngulo ajustndolo a la mesa
con la prensa, despus poco a poco se va moviendo hasta encontrar el
ngulo crtico , para el cual el cuerpo empieza a deslizarse por el
plano. Despus de encontrar este ngulo se debe medir las distancias
x y la altura y del plano inclinado; debiendo repetirse este
proceso mnimo cinco veces.b) Determinacin del coeficiente de
rozamiento cintico.
b.1) Angulo constanteEn el mismo plano inclinado se pone en un
ngulo fijo, se mide en la balanza las masas de los cuerpo m1 y m2,
despus se mide la altura de descenso "h" del cuerpo colgante m2..
Luego se mide el tiempo en que tarda el cuerpo colgante en
descender la altura "h", se efecta unas tres mediciones y se saca
el promedio. Se repite el proceso anterior con diferentes masa de
cuerpos colgantes. Se cambia de material dos veces y se efecta el
anterior procese con cada material.
b.2) Masa constanteSe escoge un determinado valor para la masa
del cuerpo colgante, se mide la masa de los cuerpo en la balanza;
se mide la altura "h" de descenso del cuerpo colgante. Se mide el
tiempo en que tarda en descender el cuerpo colgante la distancia
"h", se efecta tres medidas y se saca el promedio, se efecta el
mismo proceso para cuatro ngulos diferentes.
Es importante apuntar que en la realizacin de todo el
experimento se limpiaron muy bien las superficies en contacto
(madera y vidrio) para eliminar cualquier otro elemento que pudiera
afectar a nuestros resultados y as tener un rozamiento solo entre
estos materiales. Tambin es importante decir que se us la cara ms
pulimentada de los bloques m1 y m2, siendo esta la razn creo yo,
para que nuestros resultados arrojen un valor menor al encontrado
en tablas de pares de materiales.
1. DATOS
DETERMINACIN DE
Promedio
DETERMINACIN DE
Promedio
a) Est en funcin de la naturaleza de las superficies de
contacto? m1 = 74,1 - m2 = 71,5
b) es independiente del rea de contacto?
Bloque apoyado sobre la cara A
Bloque apoyado sobre la cara B
2. CALCULOS
DETERMINACIN DE Mediante la ecuacin
Hallando la desviacin estandar, mediante la ecuacin
=
DETERMINACIN DE mediante la ecuacin con las mismas masas
y donde la aceleracin es igual a .
Primer ensayo
Segundo ensayo
Tercer ensayo
Cuarto ensayo
Quinto ensayo
=
es independiente del rea de contacto ?
Apoyado sobre la cara A
Primer ensayo
Segundo ensayo
Tercer ensayo
Cuarto ensayo
Quinto ensayo
=
Con el tiempo promedio
Apoyado sobre la cara B
Primer ensayo
Segundo ensayo
Tercer ensayo
Cuarto ensayo
Quinto ensayo
=
Con el tiempo promedio
3. CUESTIONARIO
1. En qu casos los coeficientes de rozamiento pueden ser
inferiores a cero ?
En ningn caso pueden ser los dos menores a cero, creo yo; porque
cuando el cuerpo no esta en movimiento tiene un coeficiente de
rozamiento esttico y no tiene coeficiente dinmico, ahora cuando ya
est en movimiento ya no tiene coeficiente esttico, pero si tiene
coeficiente dinmico; y si vemos ni siquiera en el hielo se da uno
igual cero, pero es prximo a este.
2. En qu casos los coeficiente de rozamiento pueden ser mayores
uno ?
Pueden ser mayores a uno dependiendo del material de la
superficie, de los cuerpos sometidos a interaccin y del ngulo de
inclinacin con respecto a la horizontal; por ende de la fuerza
normal dependiente de la masa de los cuerpos.
3. De qu factores dependen los valores de los coeficientes de
rozamiento esttico y cintico?
Ya vimos que dependen de la forma, de la masa, del material de
los cuerpos y del material de la superficie y su inclinacin con
respecto a la horizontal.
4. Confecciones una tabla de coeficientes de rozamiento esttico
y cintico para distintos materiales.
5 Es posible que dos cuerpos con igual acabado superficial
(igual pulido) y apoyados en la misma superficie tengan fuerzas de
rozamientos diferentes?
Primero, porque el material del cual estn hechos no permite
pulido idntico, aunque sea demasiado parecido, vara; segundo porque
el coeficiente de rozamiento para diferentes materiales es distinto
y aunque tengan igual fuerza normal su producto fr es distinto.
Ahora pueden ser de idntico material y solo depender del ngulo
crtico y por consiguiente de la fuerza normal.
6. Es posible que dos cuerpos apoyados en la misma superficie
tengan fuerzas de rozamiento iguales pero coeficientes de
rozamiento distintos?
Si porque, la fuerza de rozamiento es el producto de su
coeficiente por su normal que es el producto de la masa por la
gravedad, entonces la masa de un cuerpo puede ser menor a la otra
pero su coeficiente mayor al de la otra y as igualarse en el
producto ( fr).
7. Mencione ejemplos concretos en los cuales a) se busca
mantener un alto rozamiento b) se busca mantener un bajo
rozamiento.
a) En las carreteras se busca que se tenga un alto rozamiento
entre el asfalto y las ruedas de los automviles para evitar vuelcos
u otros accidentes.
Los atletas (velocistas) buscan el mayor rozamiento entre sus
zapatillas y la pista para que al partir no resbale, tenga un
arranque veloz y as conservar su mayor energa durante ms tiempo
b) Se busca especialmente un bajo rozamiento en el rendimiento
de las mquinas en las que se busca el menor frotamiento entre sus
superficies, este es el caso de los automviles maquinas
industriales, maquina de Atwood, etc.
8. Si usted quiere detener un automvil en la mnima distancia
posible en una carretera congelada cual le parece el caso ms
favorable? a) pisar el freno a fondo hasta que las ruedas se
traben. b) pisar los frenos apenas lo necesario para evitar que las
ruedas patinen?. por qu?
Lo mas adecuado es frenar lo necesario, porque as se evita que
el automvil patine y alcance una gran distancia a causa de la
fuerza de inercia.
9. Qu importancia le asigna usted al rozamiento esttico y
cintico en la vida diaria ?
El rozamiento es un fenmeno de gran importancia tcnica, por
ejemplo La fuerza de rozamiento esttico sirve para evitar el
deslizamiento de objetos o material de carga en distintos lugares.
Y de rozamiento cintico, por ejemplo las zapatillas deportivas,
algunas tienen ms coeficiente de rozamiento con la superficie que
los zapatos de terno, debido a la zuela y debido al material de la
superficie. No es lo mismo, utilizar una de estas en pasto o
cemento.
10. Qu es ms difcil ? iniciar el movimiento de un cuerpo o
mantener el movimiento del cuerpo.Debido a que se necesita ms
fuerza para producir el movimiento, siendo esta siempre mayor a la
que es necesaria para mantenerla con un movimiento constante debido
a la fuerza aplicada, es ms difcil iniciar el movimiento que el
querer mantenerlo.
11. Cul es la diferencia entre rozamiento por deslizamiento y
rozamiento por rodadura ?
El rozamiento por deslizamiento es mayor al rozamiento por
rodadura debido a que al deslizarse un cuerpo, est sometido por
completo especialmente a la friccin con la superficie; mientras que
si rueda no solo existe una fuerza normal al cuerpo con rozamiento,
sino que existen otras fuerzas como el momento de inercia, la
aceleracin tangencia, etc, que ayudan a que el rozamiento con la
superficie disminuya.
12. El bloque de masa m = 55,5 g de la figura, inicia su
movimiento cuando & = 45, cul es el coeficiente de rozamiento
esttico entre el bloque y la superficie ?
En este caso el coeficiente de rozamiento entre ambos ser igual
a 1, ya que la tg de 45 es 1.
7. CONCLUSIONES
Despus de haber realizado el experimento en el cual se pudo
apreciar la existencia del coeficiente esttico y su diferencia con
el coeficiente cintico de se han llegado a las siguientes con
conclusiones:
La fuerza de rozamiento es independiente de la superficie de
contacto de un solo cuerpo y ms que todo depende del estado de su
sus superficies en contacto.
La fuerza de rozamiento esta siempre en sentido contrario del
movimiento o se opone a l.
Mediante los datos obtenidos y los clculos realizados se puede
comprobar que para un mismo par de cuerpos el coeficiente de
rozamiento esttico es mayor que el coeficiente de rozamiento
cintico; por lo tanto se puede afirmar que es menor la fuerza que
se necesita para mantener un cuerpo con movimiento constante que la
fuerza que ha sido necesaria para iniciar el movimiento.
Los coeficientes de rozamiento son distintos para diferentes
pares de materiales y en consecuencia sus fuerzas de rozamiento
tambin son distintas.
8. BIBLIOGRAFIA
GUIA DE EXPERIMENTOS Laboratorio de Fsica Bsica I Ing. Ren
Vasquez Univ Oscar Ticona
MEDIDAS Y ERRORESIng Alfredo Alvarez C - Ing Eduardo Huayta
ENCICLOPEDIA LAROUSSETomo 4
Superficies secasSuperficies engrasadas, ensebada, aceitadas
Hierro sobre encina 0,62Fundicin sobre fundicin0,16
Encina sobre encina 0,62Hierro sobre encina0,15
Cuero sobre metales 0,56Acero sobre gata0,11
Hierro sobre fundicin 0,19
PAGE
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