La fricción es un fenómeno físico con el que una persona lucha para reducirlo en cualquier parte giratoria y deslizante de los mecanismos, sin el cual, sin embargo, el movimiento de cualquiera de estos mecanismos es imposible. En este artículo, consideraremos, desde el punto de vista de la física, cuál es la fuerza de fricción de rodadura.
¿Qué tipos de fuerzas de fricción existen en la naturaleza?
En primer lugar, considere qué lugar ocupa la fricción de rodadura entre otras fuerzas de fricción. Estas fuerzas surgen como resultado del contacto de dos cuerpos diferentes. Pueden ser cuerpos sólidos, líquidos o gaseosos. Por ejemplo, el vuelo de un avión en la troposfera va acompañado de la presencia de fricción entre su cuerpo y las moléculas de aire.
Considerando exclusivamente los cuerpos sólidos, destacamos las fuerzas de rozamiento de reposo, deslizamiento y rodadura. Cada uno de nosotros notó: para mover una caja en el piso, es necesario aplicar algo de fuerza a lo largo de la superficie del piso. El valor de la fuerza que sacará las cajas del reposo será igual en valor absoluto a la fuerza de rozamiento en reposo. Este último actúa entre el fondo de la caja y la superficie del suelo.
Cómouna vez que la caja ha iniciado su movimiento, se debe aplicar una fuerza constante para mantener este movimiento uniforme. Este hecho está relacionado con el hecho de que entre el contacto del suelo y la caja, la fuerza de fricción deslizante actúa sobre esta última. Como regla, es varias decenas de porcentaje menos que la fricción estática.
Si coloca cilindros redondos de material duro debajo de la caja, será mucho más fácil moverla. La fuerza de fricción de rodadura actuará sobre los cilindros que giran en el proceso de movimiento debajo de la caja. Suele ser mucho menor que las dos fuerzas anteriores. Es por eso que la invención de la rueda por parte de la humanidad fue un gran s alto hacia el progreso, porque las personas pudieron mover cargas mucho más grandes con poca fuerza aplicada.
Naturaleza física de la fricción de rodadura
¿Por qué se produce la fricción de rodadura? Esta pregunta no es fácil. Para responderla, se debe considerar en detalle qué sucede con la rueda y la superficie durante el proceso de laminado. En primer lugar, no son perfectamente lisos, ni la superficie de la rueda ni la superficie sobre la que rueda. Sin embargo, esta no es la causa principal de la fricción. La razón principal es la deformación de uno o ambos cuerpos.
Cualquier cuerpo, sin importar de qué material sólido esté hecho, está deformado. Cuanto mayor es el peso del cuerpo, mayor es la presión que ejerce sobre la superficie, lo que significa que se deforma en el punto de contacto y deforma la superficie. Esta deformación en algunos casos es tan pequeña que no supera el límite elástico.
Bdurante el rodaje de la rueda, las áreas deformadas después de la terminación del contacto con la superficie recuperan su forma original. Sin embargo, estas deformaciones se repiten cíclicamente con una nueva revolución de la rueda. Cualquier deformación cíclica, incluso si se encuentra en el límite elástico, se acompaña de histéresis. En otras palabras, a nivel microscópico, la forma del cuerpo antes y después de la deformación es diferente. La histéresis de los ciclos de deformación durante el rodamiento de la rueda conduce a la "dispersión" de energía, que se manifiesta en la práctica en forma de la aparición de una fuerza de fricción rodante.
Rollamiento perfecto del cuerpo
Debajo de cuerpo ideal en este caso queremos decir que es indeformable. En el caso de una rueda ideal, su área de contacto con la superficie es cero (toca la superficie a lo largo de la línea).
Caractericemos las fuerzas que actúan sobre una rueda indeformable. En primer lugar, se trata de dos fuerzas verticales: el peso del cuerpo P y la fuerza de reacción del soporte N. Ambas fuerzas pasan por el centro de masa (eje de la rueda), por lo que no participan en la creación del par. Para ellos, puedes escribir:
P=N
En segundo lugar, estas son dos fuerzas horizontales: una fuerza externa F que empuja la rueda hacia adelante (pasa por el centro de masa) y una fuerza de fricción rodante fr. Este último crea un par M. Para ellos, puedes escribir las siguientes igualdades:
M=frr;
F=fr
Aquí r es el radio de la rueda. Estas igualdades contienen una conclusión muy importante. Si la fuerza de fricción fr es infinitamente pequeña, entoncesseguirá creando un par de torsión que hará que la rueda se mueva. Dado que la fuerza externa F es igual a fr, entonces cualquier valor infinitamente pequeño de F hará que la rueda ruede. Esto significa que si el cuerpo rodante es ideal y no experimenta deformación durante el movimiento, entonces no hay necesidad de hablar de ninguna fuerza de fricción rodante.
Todos los cuerpos existentes son reales, es decir, experimentan deformación.
Rollamiento del cuerpo real
Ahora considere la situación descrita anteriormente solo para el caso de cuerpos reales (deformables). El área de contacto entre la rueda y la superficie ya no será cero, tendrá algún valor finito.
Analicemos las fuerzas. Comencemos con la acción de las fuerzas verticales, es decir, el peso y la reacción del soporte. Siguen siendo iguales entre sí, es decir:
N=P
Sin embargo, la fuerza N ahora actúa verticalmente hacia arriba, no a través del eje de la rueda, sino que se desplaza ligeramente una distancia d. Si imaginamos el área de contacto de la rueda con la superficie como el área de un rectángulo, entonces la longitud de este rectángulo será el grosor de la rueda y el ancho será igual a 2d.
Ahora pasemos a la consideración de las fuerzas horizontales. La fuerza externa F todavía no crea un par y es igual a la fuerza de fricción fr en valor absoluto, es decir:
F=fr.
El momento de las fuerzas que conducen a la rotación creará fricción fry la reacción del soporte N. Además, estos momentos estarán dirigidos en diferentes direcciones. La expresión correspondiente estipo:
M=Nd - frr
En el caso de movimiento uniforme, el momento M será igual a cero, por lo que obtenemos:
Nd - frr=0=>
fr=d/rN
La última igualdad, teniendo en cuenta las fórmulas escritas anteriormente, se puede reescribir de la siguiente manera:
F=d/rP
De hecho, obtuvimos la fórmula principal para comprender la fuerza de fricción de rodadura. Más adelante en el artículo lo analizaremos.
Coeficiente de resistencia a la rodadura
Este coeficiente ya se ha introducido anteriormente. También se dio una explicación geométrica. Estamos hablando del valor de d. Obviamente, cuanto mayor sea este valor, mayor será el momento que crea la fuerza de reacción del soporte, que impide el movimiento de la rueda.
El coeficiente de resistencia a la rodadura d, a diferencia de los coeficientes de fricción estática y deslizante, es un valor dimensional. Se mide en unidades de longitud. En las tablas, generalmente se da en milímetros. Por ejemplo, para ruedas de tren que ruedan sobre rieles de acero, d=0,5 mm. El valor de d depende de la dureza de los dos materiales, la carga sobre la rueda, la temperatura y algunos otros factores.
Coeficiente de fricción de rodadura
No lo confundas con el coeficiente d anterior. El coeficiente de fricción de rodadura se denota con el símbolo Cr y se calcula mediante la siguiente fórmula:
Cr=re/r
Esta igualdad significa que Cr es adimensional. Es ella quien se da en una serie de tablas que contienen información sobre el tipo de fricción considerado. Este coeficiente es conveniente para los cálculos prácticos,porque no implica conocer el radio de la rueda.
El valor de Cr en la mayoría de los casos es menor que los coeficientes de fricción y reposo. Por ejemplo, para neumáticos de automóviles que se mueven sobre asf alto, el valor de Cr está dentro de unas pocas centésimas (0,01 - 0,06). Sin embargo, aumenta significativamente cuando se pinchan neumáticos sobre hierba y arena (≈0,4).
Análisis de la fórmula resultante para la fuerza fr
Escribamos de nuevo la fórmula anterior para la fuerza de fricción de rodadura:
F=d/rP=fr
De la igualdad se deduce que cuanto mayor sea el diámetro de la rueda, menor será la fuerza F que se debe aplicar para que comience a moverse. Ahora escribimos esta igualdad a través del coeficiente Cr, tenemos:
fr=CrP
Como puedes ver, la fuerza de fricción es directamente proporcional al peso del cuerpo. Además, con un aumento significativo en el peso P, el propio coeficiente Cr cambia (aumenta debido al aumento en d). En la mayoría de los casos prácticos, Cr se encuentra dentro de unas pocas centésimas. A su vez, el valor del coeficiente de rozamiento por deslizamiento se encuentra dentro de unas pocas décimas. Dado que las fórmulas para las fuerzas de fricción por rodadura y deslizamiento son las mismas, la rodadura resulta beneficiosa desde el punto de vista energético (la fuerza fr es un orden de magnitud menor que la fuerza de deslizamiento en situaciones más prácticas).
Condición de rodadura
Muchos de nosotros hemos experimentado el problema de que las ruedas de los automóviles resbalen al conducir sobre hielo o barro. Por qué es esto¿sucediendo? La clave para responder a esta pregunta radica en la relación de los valores absolutos de las fuerzas de fricción de rodadura y reposo. Escribamos de nuevo la fórmula móvil:
F ≧ CrP
Cuando la fuerza F es mayor o igual que la fricción de rodadura, la rueda comenzará a rodar. Sin embargo, si esta fuerza excede el valor de la fricción estática antes, entonces la rueda patinará antes de rodar.
Así, el efecto de deslizamiento está determinado por la relación de los coeficientes de fricción estática y fricción de rodadura.
Maneras de contrarrestar el deslizamiento de las ruedas del automóvil
La fricción de rodadura de una rueda de automóvil sobre una superficie resbaladiza (por ejemplo, sobre hielo) se caracteriza por el coeficiente Cr=0,01-0,06. Sin embargo, los valores de el mismo orden son típicos para el coeficiente de fricción estática.
Para evitar el riesgo de que las ruedas patinen, se utilizan neumáticos especiales de "invierno" en los que se atornillan clavos metálicos. Estos últimos, chocando contra la superficie del hielo, aumentan el coeficiente de fricción estática.
Otra forma de aumentar la fricción estática es modificar la superficie sobre la que se mueve la rueda. Por ejemplo, rociándolo con arena o sal.
