6.1: Fricción Seca

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La fricción en seco es la fuerza que se opone a una superficie sólida que se desliza a través de otra superficie sólida. La fricción seca siempre se opone a que las superficies se deslicen una respecto a la otra, y puede tener el efecto de oponerse o provocar movimiento en los cuerpos.

Un trineo de entrenamiento, que consiste en una plataforma de madera unida sobre una serie de varillas metálicas en contacto longitudinal con el suelo, se encuentra en un campo herboso. — Figura\(\PageIndex{1}\): La fricción seca ocurre entre el fondo de este trineo de entrenamiento y el campo herboso. La fricción seca se opondría al movimiento del trineo a lo largo del campo en este caso. Imagen por Avenue CC-BY-SA 3.0

Vista frontal de un motociclista con cascos inclinado a su derecha para realizar un giro a la derecha. — Figura\(\PageIndex{2}\): La fricción seca ocurre entre las llantas y la carretera para esta motocicleta. La fuerza de fricción en seco para esta motocicleta es lo que le permite acelerar, desacelerar y girar. Imagen de Dominio Público por Takisha Rappold.

El modelo más utilizado para la fricción en seco es la fricción de culombo. Este tipo de fricción se puede descomponer aún más en fricción estática y fricción cinética. Estos dos tipos de fricción se ilustran en el siguiente diagrama. Primero, imagina una caja sentada sobre una superficie. Se aplica una fuerza de empuje paralela a la superficie y se incrementa constantemente. Una fuerza gravitacional, una fuerza normal y una fuerza de fricción también están actuando sobre la caja.

Diagrama de un libro tumbado sobre una mesa, experimentando una fuerza aplicada empujándolo hacia la derecha, una fuerza de fricción que lo empuja hacia la izquierda, y una fuerza normal hacia arriba desde la mesa. Un gráfico de la magnitud de la fuerza de fricción experimentada en el libro vs. la magnitud de la fuerza de empuje aplicada, y una combinación de palabras y ecuaciones, ambas muestran que a medida que aumenta la magnitud de la fuerza de empuje, la magnitud de la fuerza de fricción aumenta para igualarla, hasta el punto donde la magnitud de la fuerza de fricción es igual el coeficiente de fricción estática multiplicado por la magnitud de la fuerza normal. Posteriormente, la magnitud de la fuerza de fricción cae para permanecer en un valor igual al coeficiente de fricción cinética multiplicado por la magnitud de la fuerza normal. — Figura\(\PageIndex{3}\): A medida que aumenta la fuerza de empuje, la fuerza de fricción estática será igual en magnitud y opuesta en dirección hasta el punto de movimiento inminente. Más allá de este punto, la caja comenzará a deslizarse ya que la fuerza de empuje es mayor en magnitud que la fuerza de fricción cinética que se opone a ella.

La fricción estática ocurre antes de que la caja se deslice y se mueva. En esta región, la fuerza de fricción será igual en magnitud y opuesta en dirección a la propia fuerza de empuje. A medida que aumenta la magnitud de la fuerza de empuje, también lo hace la magnitud de la fuerza de fricción.

Si la magnitud de la fuerza de empuje sigue aumentando, eventualmente la caja comenzará a deslizarse. A medida que la caja comienza a deslizarse, el tipo de fricción que se opone al movimiento de la caja cambia de fricción estática a lo que se llama fricción cinética. El punto justo antes de que la caja se deslice se conoce como movimiento inminente. Esto también se puede considerar como la máxima fuerza de fricción estática posible antes de deslizarse. La magnitud de la fuerza máxima de fricción estática es igual al coeficiente estático de fricción multiplicado por la fuerza normal existente entre la caja y la superficie. Este coeficiente de fricción es una propiedad que depende de ambos materiales y generalmente se puede buscar en tablas.

La fricción cinética ocurre más allá del punto de movimiento inminente, cuando la caja se desliza. Con la fricción cinética, la magnitud de la fuerza de fricción opuesta al movimiento será igual al coeficiente cinético de fricción multiplicado por la fuerza normal entre la caja y la superficie. El coeficiente cinético de fricción también depende de los dos materiales en contacto, pero casi siempre será menor que el coeficiente estático de fricción.

Videoconferencia que cubre esta sección, impartida por el Dr. Jacob Moore. Fuente de YouTube: https://youtu.be/OPRc38nDpKo.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Una caja de 500 lb está sentada en piso de concreto. Si el coeficiente estático de fricción es 0.7 y el coeficiente cinético de fricción es 0.6:

¿Cuál es la fuerza de fricción si la fuerza de tracción es de 150 lbs?
¿Qué fuerza de tracción se requeriría para que la caja se mueva?
¿Cuál es la fuerza mínima requerida para mantener la caja en movimiento una vez que ha comenzado a moverse?

Una caja que pesa 500 lbs, en un piso plano. Se aplica una fuerza de tracción hacia la derecha en el centro del borde derecho de la caja. — Figura\(\PageIndex{4}\): diagrama de problemas para Ejemplo\(\PageIndex{1}\). Una caja experimenta una fuerza de tracción hacia la derecha.

Solución: Video\(\PageIndex{2}\): Solución trabajada a problema de ejemplo\(\PageIndex{1}\), proporcionado por el Dr. Jacob Moore. Fuente de YouTube: https://youtu.be/7R7kvKBxUjw.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Un trineo de 30 lb está siendo levantado por una pendiente helada de 25 grados. Si el coeficiente estático de fricción entre el hielo y el trineo es 0.4 y el coeficiente cinético de fricción es 0.3, ¿cuál es la fuerza de tracción requerida necesaria para mantener el trineo en movimiento a una velocidad constante?

Una inclinación de 25 grados se inclina hacia arriba y hacia la izquierda. Un trineo yace sobre esa pendiente mirando hacia arriba, con una fuerza de tracción aplicada en su frente. — Figura\(\PageIndex{5}\): diagrama de problemas para Ejemplo\(\PageIndex{2}\). Un trineo con una fuerza de tracción aplicada para moverlo hacia arriba una inclinación de 25°.

Solución: Video\(\PageIndex{3}\): Solución trabajada a problema de ejemplo\(\PageIndex{2}\), proporcionado por el Dr. Jacob Moore. Fuente de YouTube: https://youtu.be/oPMx-SZyiy4.

Ejemplo\(\PageIndex{3}\)

Una caja de plástico está sentada sobre una viga de acero. Un extremo de la viga de acero se eleva lentamente, aumentando el ángulo de la superficie hasta que la caja comienza a deslizarse. Si la caja comienza a deslizarse cuando la viga está en un ángulo de 41 grados, ¿cuál es el coeficiente estático de fricción entre la viga de acero y la caja de plástico?

Una caja asentada sobre una viga de acero, cuyo extremo izquierdo ha sido elevado hasta que la viga se inclina a 41 grados por encima de la horizontal. — Figura\(\PageIndex{6}\): diagrama de problemas para Ejemplo\(\PageIndex{3}\). Una caja sobre una viga de acero cuyo extremo izquierdo ha sido elevado hasta quedar a 41° por encima de la horizontal.

Solución: Video\(\PageIndex{4}\): Solución trabajada a problema de ejemplo\(\PageIndex{3}\), proporcionado por el Dr. Jacob Moore. Fuente de YouTube: https://youtu.be/ShGP5rzIHN4.