En una sección especial de física - dinámica, cuando estudian el movimiento de los cuerpos, consideran las fuerzas que actúan sobre el sistema en movimiento. Este último puede realizar tanto trabajo positivo como negativo. Considere en este artículo cuál es el trabajo de la fuerza de fricción y cómo se calcula.
El concepto de trabajo en física
En física, el concepto de "trabajo" es diferente de la idea ordinaria de esta palabra. El trabajo se entiende como una cantidad física, que es igual al producto escalar del vector fuerza y el vector desplazamiento del cuerpo. Suponga que hay algún objeto sobre el cual actúa la fuerza F¯. Como sobre él no actúan otras fuerzas, su vector de desplazamiento l¯ coincidirá en dirección con el vector F¯. El producto escalar de estos vectores en este caso corresponderá al producto de sus módulos, es decir:
A=(F¯l¯)=Fl.
El valor A es el trabajo realizado por la fuerza F¯ para mover el objeto una distancia l. Teniendo en cuenta las dimensiones de los valores F y l, encontramos que el trabajo se mide en newtons por metro (Nm) en el sistema SI. Sin embargo, la unidadNm tiene su propio nombre: es un julio. Esto significa que el concepto de trabajo es el mismo que el concepto de energía. En otras palabras, si una fuerza de 1 newton mueve un cuerpo 1 metro, entonces los costos de energía correspondientes son 1 julio.
¿Cuál es la fuerza de fricción?
Es posible estudiar la cuestión del trabajo de la fuerza de fricción si sabes de qué tipo de fuerza estamos hablando. La fricción en física es un proceso que impide cualquier movimiento de un cuerpo sobre la superficie de otro cuando estas superficies se ponen en contacto.
Si consideramos solo cuerpos sólidos, entonces hay tres tipos de fricción para ellos:
- descanso;
- deslizamiento;
- rodando.
Estas fuerzas actúan entre superficies en contacto y siempre están dirigidas contra el movimiento de los cuerpos.
La fricción de reposo impide el movimiento en sí, la fricción de deslizamiento se manifiesta en el proceso de movimiento, cuando las superficies de los cuerpos se deslizan una sobre otra, y la fricción de rodadura existe entre el cuerpo que rueda sobre la superficie y la superficie misma.
Un ejemplo de la acción de la fricción estática es un automóvil que está con el freno de mano en una ladera. La fricción por deslizamiento se manifiesta cuando un esquiador se mueve sobre la nieve o un patinador se mueve sobre el hielo. Finalmente, la fricción de rodadura actúa mientras la rueda del automóvil se mueve a lo largo de la carretera.
Las fuerzas para los tres tipos de fricción se calculan utilizando la siguiente fórmula:
Ft=µtN.
Aquí N es la fuerza de reacción del soporte, µt es el coeficiente de fricción. Fuerza nortemuestra la magnitud del impacto del soporte sobre el cuerpo perpendicular al plano de la superficie. En cuanto al parámetro µt, se mide experimentalmente para cada par de materiales de fricción, por ejemplo, madera-madera, acero-nieve, etc. Los resultados medidos se recogen en tablas especiales.
Para cada fuerza de fricción, el coeficiente µt tiene su propio valor para el par de materiales seleccionado. Por tanto, el coeficiente de rozamiento estático es mayor que el de rozamiento por deslizamiento en varias decenas porcentuales. A su vez, el coeficiente de balanceo es 1-2 órdenes de magnitud menor que el del deslizamiento.
Trabajo de las fuerzas de fricción
Ahora, después de familiarizarse con los conceptos de trabajo y con los tipos de fricción, puede ir directamente al tema del artículo. Consideremos en orden todos los tipos de fuerzas de fricción y averigüemos qué trabajo realizan.
Comencemos con la fricción estática. Este tipo se manifiesta cuando el cuerpo no se mueve. Como no hay movimiento, su vector de desplazamiento l¯ es igual a cero. Esto último significa que el trabajo de la fuerza de fricción estática también es igual a cero.
La fricción por deslizamiento, por definición, actúa solo cuando el cuerpo se mueve en el espacio. Dado que la fuerza de este tipo de fricción siempre se dirige contra el movimiento del cuerpo, significa que realiza un trabajo negativo. El valor de A se puede calcular usando la fórmula:
A=-Ftl=-µtNl.
El trabajo de la fuerza de fricción deslizante tiene como objetivo ralentizar el movimiento del cuerpo. Como resultado de este trabajo, la energía mecánica del cuerpo se convierte en calor.
La fricción rodante, como el deslizamiento, también implica el movimiento del cuerpo. La fuerza de fricción de rodadura realiza un trabajo negativo, lo que ralentiza la rotación inicial del cuerpo. Como estamos hablando de la rotación del cuerpo, es conveniente calcular el valor del trabajo de esta fuerza a través del trabajo de su cantidad de movimiento. La fórmula correspondiente se escribe como:
A=-Mθ donde M=FtR.
Aquí θ es el ángulo de rotación del cuerpo como resultado de la rotación, R es la distancia desde la superficie hasta el eje de rotación (radio de la rueda).
Problema con la fuerza de fricción deslizante
Se sabe que un bloque de madera está en el borde de un plano de madera inclinado. El plano está inclinado hacia el horizonte en un ángulo de 40°o. Sabiendo que el coeficiente de fricción por deslizamiento es 0,4, la longitud del plano es de 1 metro y la masa de la barra corresponde a 0,5 kg, es necesario encontrar el trabajo de fricción por deslizamiento.
Calcular la fuerza de fricción por deslizamiento. Es igual a:
Ft=mgcos(α)µt=0,59,81cos(40 o)0, 4=1,5 N.
Entonces el trabajo A correspondiente será:
A=-Ftl=-1.51=-1.5 J.
Problema de fricción de rodadura
Se sabe que la rueda rodó por la carretera durante cierta distancia y se detuvo. El diámetro de la rueda es de 45 cm, el número de revoluciones de la rueda antes de detenerse es de 100. Teniendo en cuenta el coeficiente de rodadura igual a 0,03, es necesario encontrar a qué es igual el trabajo de la fuerza de fricción de rodadura. La masa de la rueda es de 5 kg.
Primero, calculemos el momento de fricción de rodadura:
M=FtR=µtmgD/2=0,0359, 81 0, 45/2=0, 331 Nm.
Si el número de revoluciones que da la rueda se multiplica por 2pi radianes, entonces obtenemos el ángulo de rotación de la rueda θ. Entonces la fórmula del trabajo es:
A=-Mθ=-M2pin.
Donde n es el número de revoluciones. Sustituyendo el momento M y el número n de la condición, obtenemos el trabajo requerido: A=- 207.87 J.
