La Fuerza de la Fricción

UNIDAD 5: FRICCION:

5.1 DEFINICION GENERAL

Esta fuerza, que existe en todas partes, opone resistencia al movimiento de los cuerpos cuando están en contacto, con lo que transforma la energía cinética en calorífica. Este proceso supone un freno de los objetos y un aumento de la temperatura de su superficie que en algunos casos resulta útil para los seres humanos. De este modo, se consigue encender fuego con la ayuda de madera o de una cerilla y se emplean diferentes sistemas (como los rodamientos, los frenos o los lubricantes) para mejorar el efecto de la fricción y utilizarlo en nuestro propio beneficio.

FRICCIÓN ESTÁTICA

Esta fuerza se opone al movimiento de un objeto por una superficie y depende de su peso y del tipo de materiales que están en contacto.

LA FUERZA DE LA FRICCIÓN

Una superficie de metal pulido presenta ciertos puntos microscópicos con asperezas que provocan la fricción cuando las superficies se mueven. Para evitar ese contacto en el deslizamiento y el excesivo calor que crea, se emplea una capa de aceite lubricante entre las dos superficies.

5.2 FUERZAS DE FRICCION

Siempre que un objeto se mueve sobre una superficie o en un medio viscoso, hay una resistencia al movimiento debido a la interacción del objeto con sus alrededores. Dicha resistencia recibe el nombre de fuerza de fricción.

Las fuerzas de fricción son importantes en la vida cotidiana. Nos permiten caminar y correr. Toda fuerza de fricción se opone a la dirección del movimiento relativo.

Empíricamente se ha establecido que la fuerza de fricción cinética es proporcional a la fuerza normal N, siendo k la constante de proporcionalidad, esto es, f = N.

Para ilustrar las fuerzas de fricción, suponga que intenta mover un pesado mueble sobre el piso. Ud. empuja cada vez con más fuerza hasta que el mueble parece "liberarse" para en seguida moverse con relativa facilidad.

Llamemos f a la fuerza de fricción, F a la fuerza que se aplica al mueble, mg a su peso y N a la fuerza normal (que el piso ejerce sobre el mueble).

La relación entre la fuerza F que se aplica y la fuerza de fricción puede representarse mediante el siguiente grafico:

Aumentemos desde cero la fuerza F aplicada. Mientras ésta se mantenga menor que cierto valor N, cuyo significado se explica más abajo, el pesado mueble no se mueve y la fuerza de roce entre las patas del mueble y el piso es exactamente igual a la fuerza F aplicada. Estamos en la denominada "zona estática", en que f = F. Si continuamos aumentando la fuerza F alcanzaremos la situación en que f = N, la máxima fuerza de fricción estática y el mueble parecerá "liberarse" empezando a moverse, pero esta vez con una fuerza de fricción llamada cinética y cuya relación con la fuerza normal es

fk = N (zona cinética)

Donde es el coeficiente de roce cinético, que debe distinguirse del coeficiente de roce estático , mencionado más arriba. Se obtiene encontrando el cuociente entre la máxima fuerza de roce (condición a punto de resbalar) y la fuerza normal. De ahí que N nos entrega el valor máximo de la fuerza de roce estático.

El coeficiente de roce estático es siempre mayor que el coeficiente de roce cinético. Los coeficientes de fricción estática y cinética para madera sobre madera, hielo sobre hielo, metal sobre metal (lubricado), hule sobre concreto seco, y las articulaciones humanas, están aquí descritos para esas determinadas superficies:

Ejemplo.

Una caja de 10 kg descansa sobre un piso horizontal. El coeficiente de fricción estático es = 0.4, y el de fricción cinética es =0.3. Calcule la fuerza de fricción f que obra sobre la caja si se ejerce una fuerza horizontal externa F cuya magnitud es a) 10 N, b) 38N, c) 40 N.

SOLUCION:

El diagrama de cuerpo libre o de cuerpo aislado es:

Como N - mg = 0 N = mg = 98 N

1. La fuerza de fricción estática se opone a cualquier fuerza aplicada, hasta llagar a un máximo N = (0.4)(98N) = 39.2 N. Como la fuerza aplicada es F = 10 N, la caja no se moverá y f = F = 10 N.

2. Todavía la fuerza de 38 N no supera los 39.2 N, la fuerza de fricción habrá aumentado a 38 N, f = 38N.

3. Una fuerza de 40 N hará que la caja comience a moverse, porque es mayor que la fuerza máxima de fricción estática, 39.2 N. En adelante se tiene fricción cinética, en lugar de fricción estática y la magnitud de la fricción cinética es N = 0.3 (98N) = 29 N. Si la fuerza aplicada continúa siendo F = 40 N, la aceleración que experimentará la caja será (40N - 29N)/10kg = 1.1 m/s2

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 q , 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•cosq

Consideremos de nuevo el bloque sobre la superficie horizontal. Si además atamos una cuerda al bloque que forme un ángulo q 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•senq =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 N que 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=mk N

La constante de proporcionalidad mk es un número sin dimensiones

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