La fuerza de fricción es una cantidad física que impide cualquier movimiento del cuerpo. Ocurre, por regla general, cuando los cuerpos se mueven en materia sólida, líquida y gaseosa. Varios tipos de fuerzas de fricción juegan un papel importante en la vida humana, ya que evitan un aumento excesivo en la velocidad de los cuerpos.
Clasificación de las fuerzas de fricción
En el caso general, todos los tipos de fuerzas de fricción se describen en tres tipos: la fuerza de fricción de deslizamiento, rodadura y reposo. El primero es estático, los otros dos son dinámicos. El rozamiento en reposo impide que el cuerpo comience a moverse, a su vez, al deslizarse, existe rozamiento cuando el cuerpo roza contra la superficie de otro cuerpo durante su movimiento. La fricción de rodadura ocurre cuando un objeto redondo se mueve. Tomemos un ejemplo. Un ejemplo sorprendente del tipo (fuerza de fricción de rodadura) es el movimiento de las ruedas de los automóviles sobre el asf alto.
La naturaleza de las fuerzas de fricción es la existencia de imperfecciones microscópicas entre las superficies de fricción de dos cuerpos. Por esta razón, la fuerza resultante que actúa sobreun objeto que se mueve o comienza a moverse, consiste en la suma de la fuerza de la reacción normal del soporte N, que se dirige perpendicularmente a la superficie de los cuerpos en contacto, y de la fuerza de fricción F. Esta última se dirige paralelamente a la superficie de contacto y es opuesta al movimiento del cuerpo.
Fricción entre dos sólidos
Al considerar el tema de los diferentes tipos de fuerzas de fricción, se observaron los siguientes patrones para dos cuerpos sólidos:
- La fuerza de fricción se dirige paralelamente a la superficie de apoyo.
- El coeficiente de fricción depende de la naturaleza de las superficies en contacto, así como de su estado.
- La fuerza de fricción máxima es directamente proporcional a la fuerza normal o reacción de apoyo que actúa entre las superficies de contacto.
- Para los mismos cuerpos, la fuerza de fricción es mayor antes de que el cuerpo comience a moverse y luego disminuye cuando el cuerpo comienza a moverse.
- El coeficiente de fricción no depende del área de contacto, y prácticamente no depende de la velocidad de deslizamiento.
Leyes
Resumiendo el material experimental sobre las leyes del movimiento, hemos establecido las siguientes leyes básicas con respecto a la fricción:
- La resistencia al deslizamiento entre dos cuerpos es proporcional a la fuerza normal que actúa entre ellos.
- La resistencia al movimiento entre cuerpos en fricción no depende del área de contacto entre ellos.
Para demostrar la segunda ley, podemos dar el siguiente ejemplo: si tomas un bloque y lo mueves deslizándolo sobre la superficie, entonces la fuerza necesaria para tal movimientoserá el mismo cuando el bloque se encuentra en la superficie con su lado largo, y cuando se apoya con su extremo.
Las leyes relativas a varios tipos de fuerzas de fricción en la física fueron descubiertas a finales del siglo XV por Leonard da Vinci. Luego fueron olvidados durante mucho tiempo, y solo en 1699 fueron redescubiertos por el ingeniero francés Amonton. Desde entonces, las leyes de la fricción llevan su nombre.
¿Por qué la fuerza de fricción es mayor que la del deslizamiento en reposo?
Al considerar varios tipos de fuerzas de fricción (reposo y deslizamiento), se debe tener en cuenta que la fuerza de fricción estática es siempre menor o igual que el producto del coeficiente de fricción estática y la fuerza de reacción del apoyo. El coeficiente de fricción se determina experimentalmente para estos materiales de frotamiento y se ingresa en las tablas correspondientes.
La fuerza dinámica se calcula de la misma manera que la fuerza estática. Solo en este caso, el coeficiente de fricción se usa específicamente para deslizamiento. El coeficiente de fricción generalmente se denota con la letra griega Μ (mu). Por lo tanto, la fórmula general para ambas fuerzas de fricción es: Ftr=ΜN, donde N es la fuerza de reacción del apoyo.
La naturaleza de la diferencia entre estos tipos de fuerzas de fricción no se ha establecido con precisión. Sin embargo, la mayoría de los científicos creen que la fuerza de fricción estática es mayor que la del deslizamiento, porque cuando los cuerpos están en reposo entre sí durante algún tiempo, se pueden formar enlaces iónicos o microfusiones de puntos individuales de las superficies entre sus superficies. Estos factores provocan un aumento de la estática.indicador.
Un ejemplo de varios tipos de fuerza de fricción y su manifestación es el pistón en el cilindro del motor de un automóvil, que está "soldado" al cilindro si el motor no está funcionando durante mucho tiempo.
Cuerpo deslizante horizontal
Obtengamos la ecuación de movimiento de un cuerpo que, bajo la acción de una fuerza externa Fin, comienza a moverse a lo largo de la superficie deslizándose. En este caso, las siguientes fuerzas actúan sobre el cuerpo:
- Fv – fuerza externa;
- Ftr – fuerza de fricción que es opuesta en dirección a la fuerza Fv;
- N es la fuerza de reacción del soporte, que es igual en valor absoluto al peso del cuerpo P y está dirigida a la superficie, es decir, formando un ángulo recto con ella.
Teniendo en cuenta las direcciones de todas las fuerzas, escribimos la segunda ley de Newton para este caso de movimiento: Fv - Ftr=ma, donde m - masa corporal, a - aceleración del movimiento. Sabiendo que Ftr=ΜN, N=P=mg, donde g es la aceleración de caída libre, obtenemos: Fv – Μmetrogramo=metroun. De donde, expresando la aceleración con que se mueve el cuerpo deslizante, se obtiene: a=F in / m – Μg.
Movimiento de un cuerpo rígido en un líquido
Al considerar qué tipos de fuerzas de fricción existen, se debe mencionar un fenómeno importante en la física, que es la descripción de cómo se mueve un cuerpo sólido en un líquido. En este caso, estamos hablando del rozamiento aerodinámico, que se determina en función de la velocidad del cuerpo en el fluido. Hay dos tipos de movimiento:
- Cuandoun cuerpo rigido se mueve a baja velocidad, se habla de movimiento laminar. La fuerza de fricción en el movimiento laminar es proporcional a la velocidad. Un ejemplo es la ley de Stokes para cuerpos esféricos.
- Cuando el movimiento de un cuerpo en un fluido ocurre a una velocidad superior a un cierto valor de umbral, comienzan a aparecer vórtices de flujos de fluido alrededor del cuerpo. Estos vórtices crean una fuerza adicional que impide el movimiento y, como resultado, la fuerza de fricción es proporcional al cuadrado de la velocidad.
Naturaleza de la fuerza de fricción de rodadura
Cuando se habla de los tipos de fuerzas de fricción, se acostumbra llamar a la fuerza de fricción rodante el tercer tipo. Se manifiesta cuando un cuerpo rueda sobre una determinada superficie y se produce la deformación de este cuerpo y de la propia superficie. Es decir, en el caso de un cuerpo y una superficie absolutamente indeformables, no tiene sentido hablar de la fuerza de fricción de rodadura. Echemos un vistazo más de cerca.
El concepto de coeficiente de fricción de rodadura es similar al de deslizamiento. Dado que no hay deslizamiento entre las superficies de los cuerpos durante la rodadura, el coeficiente de fricción de rodadura es mucho menor que para el deslizamiento.
El factor principal que afecta el coeficiente es la histéresis de la energía mecánica para el tipo de fuerza de fricción de rodadura. En particular, la rueda, dependiendo del material del que está hecha, así como de la carga que lleva, se deforma elásticamente durante el movimiento. Los ciclos repetitivos de deformación elástica conducen a la transferencia de parte de la energía mecánica en energía térmica. Además, debido adaño, el contacto de la rueda y la superficie ya tiene un área de contacto finita.
fórmula de la fuerza de fricción de rodadura
Si aplicamos la expresión para el momento de fuerza que hace girar la rueda, entonces podemos obtener que la fuerza de fricción de rodadura es Ftr.k.=Μ k N / R, aquí N es la reacción del soporte, R es el radio de la rueda, Μк – coeficiente de fricción de rodadura. Por lo tanto, la fuerza de fricción de rodadura es inversamente proporcional al radio, lo que explica la ventaja de las ruedas grandes sobre las pequeñas.
La proporcionalidad inversa de esta fuerza al radio de la rueda sugiere que en el caso de dos ruedas de diferentes radios que tienen la misma masa y están hechas del mismo material, la rueda con el radio más grande es más fácil de moverse.
Ratio de rodadura
De acuerdo con la fórmula para este tipo de fuerza de rozamiento, obtenemos que el coeficiente de rozamiento por rodadura Μk tiene la dimensión de longitud. Depende principalmente de la naturaleza de los cuerpos en contacto. El valor, que está determinado por la relación entre el coeficiente de fricción de rodadura y el radio, se denomina coeficiente de rodadura, es decir, Ck=Μk / R es una cantidad adimensional.
El coeficiente de rodadura Ck es significativamente menor que el coeficiente de fricción por deslizamiento Μtr. Por lo tanto, al responder a la pregunta de qué tipo de fuerza de fricción es la más pequeña, podemos llamar con seguridad a la fuerza de fricción de rodadura. Gracias a este hecho, la invención de la rueda se considera un paso importante en el progreso tecnológico.humanidad.
La relación de rodadura es específica del sistema y depende de los siguientes factores:
- dureza de la rueda y de la superficie (cuanto menor es la deformación de los cuerpos que se produce durante el movimiento, menor es el coeficiente de rodadura);
- radio de rueda;
- peso que actúa sobre la rueda;
- superficie de contacto y su forma;
- viscosidad en la zona de contacto entre la rueda y la superficie;
- temperatura corporal
