Todo estudiante sabe que cuando hay contacto entre dos superficies sólidas, surge la llamada fuerza de fricción. Consideremos en este artículo qué es, centrándonos en el punto de aplicación de la fuerza de fricción.
¿Qué tipos de fuerzas de fricción existen?
Antes de considerar el punto de aplicación de la fuerza de fricción, es necesario recordar brevemente qué tipos de fricción existen en la naturaleza y la tecnología.
Comencemos a considerar la fricción estática. Este tipo caracteriza el estado de un cuerpo sólido en reposo sobre alguna superficie. El rozamiento del reposo impide cualquier desplazamiento del cuerpo de su estado de reposo. Por ejemplo, debido a la acción de esta misma fuerza, nos resulta difícil mover un gabinete que está parado en el piso.
La fricción por deslizamiento es otro tipo de fricción. Se manifiesta en el caso de contacto entre dos superficies que se deslizan una sobre la otra. La fricción por deslizamiento se opone al movimiento (la dirección de la fuerza de fricción es opuesta a la velocidad del cuerpo). Un ejemplo llamativo de su acción es un esquiador o patinador deslizándose sobre hielo sobre nieve.
Finalmente, el tercer tipo de fricción es rodante. Siempre existe cuando un cuerpo rueda sobre la superficie de otro. Por ejemplo, el rodamiento de una rueda o los cojinetes son excelentes ejemplos en los que la fricción de rodadura es importante.
Los dos primeros de los tipos descritos surgen debido a la rugosidad en las superficies de fricción. El tercer tipo surge debido a la histéresis de deformación del cuerpo rodante.
Puntos de aplicación de las fuerzas de fricción de deslizamiento y reposo
Se dijo anteriormente que el rozamiento estático impide que la fuerza externa actúe, la cual tiende a mover el objeto a lo largo de la superficie de contacto. Esto significa que la dirección de la fuerza de fricción es opuesta a la dirección de la fuerza externa paralela a la superficie. El punto de aplicación de la fuerza de rozamiento considerada está en la zona de contacto entre dos superficies.
Es importante entender que la fuerza de fricción estática no es un valor constante. Tiene un valor máximo, que se calcula mediante la siguiente fórmula:
Ft=µtN.
Sin embargo, este valor máximo aparece solo cuando el cuerpo inicia su movimiento. En cualquier otro caso, la fuerza de fricción estática es exactamente igual en valor absoluto a la superficie paralela de la fuerza externa.
En cuanto al punto de aplicación de la fuerza de rozamiento por deslizamiento, no difiere del de rozamiento estático. Hablando de la diferencia entre fricción estática y deslizante, se debe tener en cuenta la importancia absoluta de estas fuerzas. Por lo tanto, la fuerza de fricción por deslizamiento para un par dado de materiales es un valor constante. Además, siempre es menor que la fuerza máxima de fricción estática.
Como puedes ver, el punto de aplicación de las fuerzas de fricción no coincide con el centro de gravedad del cuerpo. Esto significa que las fuerzas bajo consideración crean un momento que tiende a volcar el cuerpo deslizante hacia adelante. Esto último se puede observar cuando el ciclista frena con fuerza con la rueda delantera.
Fricción de rodadura y su punto de aplicación
Dado que la causa física de la fricción de rodadura es diferente de la de los tipos de fricción discutidos anteriormente, el punto de aplicación de la fuerza de fricción de rodadura tiene un carácter ligeramente diferente.
Suponga que la rueda del automóvil está sobre el pavimento. Es obvio que esta rueda está deformada. El área de su contacto con el asf alto es igual a 2dl, donde l es el ancho de la rueda, 2d es la longitud del contacto lateral de la rueda y el asf alto. La fuerza de rozamiento por rodadura, en su esencia física, se manifiesta en forma de un momento de reacción del soporte dirigido contra el giro de la rueda. Este momento se calcula de la siguiente manera:
M=Nd
Si lo dividimos y lo multiplicamos por el radio de la rueda R, obtenemos:
M=Nd/RR=FtR donde Ft=Nd/R
Así, la fuerza de fricción de rodadura Ft es en realidad la reacción del soporte, creando un momento de fuerza que tiende a ralentizar la rotación de la rueda.
El punto de aplicación de esta fuerza se dirige verticalmente hacia arriba en relación con la superficie del plano y se desplaza hacia la derecha desde el centro de masa en d (suponiendo que la rueda se mueve de izquierda a derecha).
Ejemplo de resolución de problemas
AcciónLa fuerza de fricción de cualquier tipo tiende a ralentizar el movimiento mecánico de los cuerpos, al tiempo que convierte su energía cinética en calor. Resolvamos el siguiente problema:
La
Consideremos qué fuerzas actúan sobre la barra. Primero, el componente de gravedad se dirige hacia abajo a lo largo de la superficie deslizante. Es igual a:
F=mgsen(α)
En segundo lugar, una fuerza de fricción constante actúa hacia arriba a lo largo del plano, que está dirigida contra el vector de aceleración del cuerpo. Se puede determinar mediante la fórmula:
Ft=µtN=µtmgcos (α)
Entonces la ley de Newton para una barra que se mueve con aceleración a tomará la forma:
ma=mgsen(α) - µtmgcos(α)=>
a=gsen(α) - µtgcos(α)
Sustituyendo los datos en la igualdad, obtenemos que a=2,81 m/s2. Tenga en cuenta que la aceleración encontrada no depende de la masa de la barra.
