2.8: Fricción
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Objetivos de aprendizaje
- Discutir las características generales de la fricción.
- Describir los distintos tipos de fricción.
- Explicar el efecto de la fricción sobre el movimiento.
La fricción es una fuerza que nos rodea todo el tiempo que se opone al movimiento relativo entre sistemas en contacto pero también nos permite movernos (que has descubierto si alguna vez has intentado caminar sobre hielo). Si bien es una fuerza común, el comportamiento de la fricción en realidad es muy complicado y aún no se comprende del todo. Tenemos que depender mucho de las observaciones para cualquier entendimiento que podamos obtener. No obstante, todavía podemos lidiar con sus características generales más elementales y entender las circunstancias en las que se comporta.
Definición: FRICCIÓN
La fricción es una fuerza que se opone al movimiento relativo entre sistemas en contacto.
Una de las características más simples de la fricción es que es paralela a la superficie de contacto entre sistemas y siempre en una dirección que se opone al movimiento o intento de movimiento de los sistemas entre sí. Si dos sistemas están en contacto y se mueven uno con relación al otro, entonces la fricción entre ellos se llama fricción cinética. Por ejemplo, la fricción ralentiza un disco de hockey que se desliza sobre hielo. Pero cuando los objetos están estacionarios, la fricción estática puede actuar entre ellos; la fricción estática suele ser mayor que la fricción cinética entre los objetos.
Definición: Fricción cinética
Si dos sistemas están en contacto y se mueven uno con relación al otro, entonces la fricción entre ellos se llama fricción cinética.
Imagínese, por ejemplo, tratar de deslizar una caja pesada sobre un piso de concreto; puede empujar cada vez más la caja y no moverla en absoluto. Esto significa que la fricción estática responde a lo que haces: aumenta para ser igual y en la dirección opuesta a tu empuje. Pero si finalmente empujas lo suficientemente fuerte, la caja parece deslizarse de repente y empieza a moverse. Una vez en movimiento es más fácil mantenerlo en movimiento que ponerlo en marcha, lo que indica que la fuerza de fricción cinética es menor que la fuerza de fricción estática. Si agregas masa a la caja, digamos al colocar una caja encima de ella, necesitas presionar aún más para que comience y también para mantenerla en movimiento. Además, si engrasas el concreto te resultaría más fácil poner en marcha la caja y mantenerla en marcha (como cabría esperar).
La figura\(\PageIndex{1}\) es una representación pictórica cruda de cómo se produce la fricción en la interfaz entre dos objetos. La inspección en primer plano de estas superficies muestra que son rugosas. Entonces, cuando empujas para que un objeto se mueva (en este caso, una caja), debes levantar el objeto hasta que pueda saltar junto con solo las puntas de la superficie golpeando, romper los puntos, o hacer ambas cosas. Una fuerza considerable puede ser resistida por fricción sin movimiento aparente. Cuanto más duras se juntan las superficies (como si se coloca otra caja en la caja), más fuerza se necesita para moverlas. Parte de la fricción se debe a las fuerzas adhesivas entre las moléculas superficiales de los dos objetos, lo que explica la dependencia de la fricción de la naturaleza de las sustancias. La adhesión varía con las sustancias en contacto y es un aspecto complicado de la física de superficies. Una vez que un objeto se está moviendo, hay menos puntos de contacto (menos moléculas adheridas), por lo que se requiere menos fuerza para mantener el objeto en movimiento. A velocidades pequeñas pero distintas de cero, la fricción es casi independiente de la velocidad.
La magnitud de la fuerza de fricción tiene dos formas: una para situaciones estáticas (fricción estática) y otra para cuando hay movimiento (fricción cinética).
Cuando no hay movimiento entre los objetos, la magnitud de la fricción estática f s es
\[f_{\mathrm{s}} \leq \mu_{\mathrm{s}} N, \nonumber \]
donde\(\mu_{\mathrm{s}}\) es el coeficiente de fricción estática y N es la magnitud de la fuerza normal (la fuerza perpendicular a la superficie).
Magnitud de fricción estática
La magnitud de la fricción estática\(f_{\mathrm{s}}\) es
\[f_{\mathrm{s}} \leq \mu_{\mathrm{s}} N, \nonumber\]
donde\(\mu_{\mathrm{s}}\) es el coeficiente de fricción estática y N es la magnitud de la fuerza normal.
El símbolo ≤ significa menor o igual a, lo que implica que la fricción estática puede tener un valor mínimo y un valor máximo de\(\mu_{\mathrm{s}} N\). La fricción estática es una fuerza sensible que aumenta para ser igual y opuesta a cualquier fuerza que se ejerza, hasta su límite máximo. Una vez superada la fuerza aplicada\(f_{\mathrm{s}(\max )}\), el objeto se moverá. Así
\[f_{\mathrm{s}(\max )}=\mu_{\mathrm{s}} N. \nonumber \]
Una vez que un objeto se mueve, la magnitud de la fricción cinética\(f_{\mathrm{k}}\) viene dada por
\[\mathrm{f}_{\mathrm{k}}=\mu_{\mathrm{k}} N, \nonumber \]
donde\(\mu_{\mathrm{k}}\) está el coeficiente de fricción cinética. Un sistema en el que\(\mathrm{f}_{\mathrm{k}}=\mu_{\mathrm{k}} N\) se describe como un sistema en el que la fricción se comporta de manera sencilla.
Magnitud de fricción cinética
La magnitud de la fricción cinética\(f_{\mathrm{k}}\) viene dada por
\[f_{\mathrm{k}}=\mu_{\mathrm{k}} N, \nonumber\]
donde\(\mu_{\mathrm{k}}\) está el coeficiente de fricción cinética.
Como se ve en la Tabla\(\PageIndex{1}\), los coeficientes de fricción cinética son menores que sus contrapartes estáticas. Que los valores de\(\mu\) en la Tabla\(\PageIndex{1}\) se indiquen a solo uno o, a lo sumo, a dos dígitos es una indicación de la descripción aproximada de fricción dada por las dos ecuaciones anteriores.
Las ecuaciones dadas anteriormente incluyen la dependencia de la fricción de los materiales y la fuerza normal. La dirección de fricción siempre es opuesta a la del movimiento, paralela a la superficie entre los objetos, y perpendicular a la fuerza normal. Por ejemplo, si la caja que intentas empujar (con una fuerza paralela al piso) tiene una masa de 100 kg, entonces la fuerza normal sería igual a su peso\(W=m g=(100 \mathrm{~kg})\left(9.80 \mathrm{~m} / \mathrm{s}^{2}\right)=980 \mathrm{~N}\),, perpendicular al piso. Si el coeficiente de fricción estática es 0.45, tendrías que ejercer una fuerza paralela al suelo mayor que\(f_{\mathrm{s}(\max )}=\mu_{\mathrm{s}} N=(0.45)(980 \mathrm{~N})=440 \mathrm{~N}\) para mover la caja. Una vez que hay movimiento, la fricción es menor y el coeficiente de fricción cinética podría ser de 0.30, de manera que una fuerza de solo 290 N (\(f_{\mathrm{k}}=\mu_{\mathrm{k}} N=(0.30)(980 \mathrm{~N})=290 \mathrm{~N}\)) la mantendría en movimiento a una velocidad constante. Si el piso está lubricado, ambos coeficientes son considerablemente menores de lo que serían sin lubricación. El coeficiente de fricción es una unidad menor cantidad con una magnitud generalmente entre 0 y 1.0. El coeficiente de fricción depende de las dos superficies que están en contacto.
Experimento para llevar a casa
Encuentra un objeto de plástico pequeño (como un recipiente para alimentos) y deslízalo sobre una mesa de cocina dándole un toque suave. Ahora rocíe agua sobre la mesa, simulando una ligera ducha de lluvia. ¿Qué sucede ahora cuando le das al objeto el golpecito del mismo tamaño? Ahora agrega unas gotas de aceite (vegetal u oliva) en la superficie del agua y dale el mismo grifo. ¿Qué pasa ahora? Esta última situación es particularmente importante para los conductores a tener en cuenta, especialmente después de una ligera ducha de lluvia. ¿Por qué?
Muchas personas han experimentado el deslizamiento de caminar sobre hielo. Sin embargo, muchas partes del cuerpo, especialmente las articulaciones, tienen coeficientes de fricción mucho más pequeños, a menudo tres o cuatro veces menos que el hielo. Una articulación está formada por los extremos de dos huesos, los cuales están conectados por tejidos gruesos. La articulación de la rodilla está formada por el hueso de la parte inferior de la pierna (la tibia) y el fémur (fémur). La cadera es una articulación esférica (al final del fémur) y una cavidad (parte de la pelvis). Los extremos de los huesos de la articulación están cubiertos por cartílago, lo que proporciona una superficie lisa, casi vidriosa. Las articulaciones también producen un líquido (líquido sinovial) que reduce la fricción y el desgaste. Una articulación dañada o artrítica puede ser reemplazada por una articulación artificial (Figura\(\PageIndex{2}\)). Estos reemplazos pueden estar hechos de metales (acero inoxidable o titanio) o plástico (polietileno), también con coeficientes de fricción muy pequeños.
Otros lubricantes naturales incluyen la saliva producida en nuestra boca para ayudar en el proceso de deglución, y la mucosidad resbaladiza que se encuentra entre los órganos del cuerpo, lo que les permite moverse libremente entre sí durante los latidos cardíacos, durante la respiración y cuando una persona se mueve. Los lubricantes artificiales también son comunes en hospitales y clínicas médicas. Por ejemplo, cuando se realizan imágenes ultrasónicas, el gel que une el transductor a la piel también sirve para lubricar la superficie entre el transductor y la piel, reduciendo así el coeficiente de fricción entre las dos superficies. Esto permite que el transductor se mueva libremente sobre la piel.
Hemos discutido que cuando un objeto descansa sobre una superficie horizontal, hay una fuerza normal que lo sostiene igual en magnitud a su peso. Además, la fricción simple es siempre proporcional a la fuerza normal.
HACER CONEXPLICACIONES SUBMICROSCÓPICAS
Los aspectos más simples de la fricción tratados hasta ahora son sus características macroscópicas (a gran escala). Se han logrado grandes avances en la explicación de la fricción a escala atómica durante las últimas décadas. Los investigadores están encontrando que la naturaleza atómica de la fricción parece tener varias características fundamentales. Estas características no solo explican algunos de los aspectos más simples de la fricción, sino que también tienen el potencial para el desarrollo de entornos casi libres de fricción que podrían ahorrar cientos de miles de millones de dólares en energía que actualmente se está transformando (innecesariamente) en calor.
La figura\(\PageIndex{3}\) ilustra una característica macroscópica de fricción que se explica por investigaciones microscópicas (a pequeña escala). Hemos observado que la fricción es proporcional a la fuerza normal, pero no a la zona en contacto, noción algo contraintuitiva. Cuando dos superficies rugosas están en contacto, el área de contacto real es una pequeña fracción del área total ya que solo los puntos altos se tocan. Cuando se ejerce una mayor fuerza normal, el área de contacto real aumenta, y se encuentra que la fricción es proporcional a esta área.
Pero la vista a escala atómica promete explicar mucho más que las características más simples de la fricción. Ahora se está determinando el mecanismo de cómo se genera el calor. En otras palabras, ¿por qué las superficies se calientan cuando se frotan? Esencialmente, los átomos están unidos entre sí para formar celosías. Cuando las superficies rozan, los átomos de la superficie se adhieren y hacen que las redes atómicas vibren, creando esencialmente ondas sonoras que penetran en el material. Las ondas sonoras disminuyen con la distancia y su energía se convierte en calor. Las reacciones químicas que están relacionadas con el desgaste por fricción también pueden ocurrir entre átomos y moléculas en las superficies. La figura\(\PageIndex{4}\) muestra cómo la punta de una sonda dibujada a través de otro material se deforma por fricción a escala atómica. La fuerza necesaria para arrastrar la punta se puede medir y se encuentra relacionada con el esfuerzo cortante, que se discutirá más adelante en este capítulo. La variación en el esfuerzo cortante es notable (más que un factor de\(10^{12}\)) y difícil de predecir teóricamente, pero el esfuerzo cortante está dando una comprensión fundamental de un fenómeno a gran escala conocido desde la antigüedad: la fricción.
Resumen de la Sección
- La fricción es una fuerza de contacto entre sistemas que se opone al movimiento o intento de movimiento entre ellos. La fricción simple es proporcional a la fuerza normal N que empuja los sistemas juntos. (Una fuerza normal siempre es perpendicular a la superficie de contacto entre sistemas.) La fricción depende de ambos materiales involucrados. La magnitud de la fricción estática\(f_{\mathrm{s}}\) entre sistemas estacionarios entre sí viene dada por
\[f_{\mathrm{s}} \leq \mu_{\mathrm{s}} N, \nonumber\]
donde\(\mu_{\mathrm{s}}\) está el coeficiente de fricción estática, que depende de ambos materiales. - La fuerza de fricción cinética\(f_{\mathrm{k}}\) entre los sistemas que se mueven entre sí viene dada por
\[f_{\mathrm{k}}=\mu_{\mathrm{k}} N, \nonumber\]
donde\(\mu_{\mathrm{k}}\) está el coeficiente de fricción cinética, que también depende de ambos materiales.
Glosario
- fricción
- una fuerza que se opone al movimiento relativo o intentos de movimiento entre sistemas en contacto
- fricción cinética
- una fuerza que se opone al movimiento de dos sistemas que están en contacto y se mueven uno con relación al otro
- fricción estática
- una fuerza que se opone al movimiento de dos sistemas que están en contacto y no se mueven uno con relación al otro
- magnitud de fricción estática
- \(f_{\mathrm{s}} \leq \mu_{\mathrm{s}} N\), donde\(\mu_{\mathrm{s}}\) está el coeficiente de fricción estática y\(N\) es la magnitud de la fuerza normal
- magnitud de la fricción cinética
- \(f_{\mathrm{k}}=\mu_{\mathrm{k}} N\), donde\(\mu_{\mathrm{k}}\) está el coeficiente de fricción cinética