Fricción

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Physics I

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Friction

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08:25 min

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February 06, 2015

Overview

Fuente: Nicolás Timmons, Asantha Cooray, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de ciencias física, Universidad de California, Irvine, CA

El objetivo de este experimento es examinar la naturaleza física de los dos tipos de fricción (es decir, estática y cinética). El procedimiento incluirá la medición de los coeficientes de fricción para deslizar horizontalmente los objetos, así como por un plano inclinado.

Fricción no se entiende totalmente, pero experimentalmente se determina a ser proporcional a la fuerza normal ejercida sobre un objeto. Si el microscopio aumenta en dos superficies que están en contacto, revelaría que sus superficies son muy ásperas en pequeña escala. Esto evita que las superficies deslicen fácilmente más allá de uno otro. Combinando el efecto de superficies rugosas con las fuerzas eléctricas entre los átomos en los materiales puede explicar la fuerza de fricción.

Hay dos tipos de fricción. Fricción estática es presente cuando un objeto no se mueve y cierta fuerza se requiere para obtener ese objeto en movimiento. Fricción cinética está presente cuando un objeto ya está en movimiento pero se ralentiza debido a la fricción entre las superficies de deslizamiento.

Principles

Figura 1.

La figura 1 muestra cuatro fuerzas que actúan sobre un objeto que se encuentra en un plano horizontal. corresponde a una fuerza horizontal aplicada. es la fuerza de la gravedad en el objeto, que es igual pero en sentido contrario por la fuerza normal, . La fuerza normal es el resultado de una superficie que actúan sobre un objeto en oposición a la gravedad. La fuerza normal, explica por qué un libro no entra simplemente a través de la mesa descanse sobre. Por último, oponerse a la fuerza aplicada es la fuerza friccional, . La fuerza friccional es proporcional a la fuerza normal:

, (Ecuación 1)

donde es el coeficiente de fricción.

El coeficiente de fricción debe ser medido experimentalmente y es una propiedad que depende de los dos materiales que están en contacto. Hay dos tipos de coeficientes de fricción: fricción cinética, , cuando los objetos ya están en movimiento y fricción estática, , cuando los objetos están en reposo y requieren una cierta cantidad de fuerza que mueve. Para un objeto deslizante a lo largo de un camino, la fuerza normal es igual al peso del objeto. Por lo tanto, la fuerza de fricción depende sólo del coeficiente y la masa de un objeto.

Si el objeto está sobre un plano inclinado, entonces la fuerza normal es perpendicular a la pendiente y no es igual y opuesta al peso como puede verse en la figura 2.

Figura 2.

En este caso, sólo un componente de es equivalente a la fuerza normal, dependiendo el ángulo θ:

. (Ecuación 2)

El ángulo de reposo se define como el punto en que la fuerza de gravedad sobre un objeto supera la fuerza de fricción estática y el objeto comienza a deslizarse por un plano inclinado. Es una buena aproximación para el ángulo de reposo:

. (Ecuación 3)

En este laboratorio, se utilizará dos bandejas de metal para representar a materiales con diferentes coeficientes de fricción. Bloque A tendrá un fondo de papel de lija, que dará como resultado un coeficiente de fricción más alto, mientras que el bloque B tendrá un fondo de metal liso.

Procedure

1. medir los coeficientes de fricción.

Añadir un peso de 1.000 g a cada bloque y uso una escala de medir las masas de los bloques A y B, incluyendo la masa añadida.
Conecte la escala de fuerza para bloquear A. jalar la escala horizontalmente y observe la lectura justo antes de que el bloque empieza a deslizar. Justo antes de empezar a deslizar, la cantidad máxima de fricción estática resiste el movimiento. Utilizar la lectura de la fuerza para calcular bloque A. Hacer esto cinco veces y registrar el valor promedio.
Repita el paso 1.2 con el bloque B.
Tire el bloque A en la mesa a velocidad constante. Si la velocidad es constante, la fuerza de la lectura en la escala debe ser igual a la fuerza de fricción. Calcular bloque A. Hacer esto cinco veces y registrar el valor promedio.
Repita el paso 1.4 con el bloque B.

2. efecto del peso sobre la fuerza de fricción.

Lugar bloque A bloque B y repetir el paso 1.4 cinco veces, determinar el valor promedio. Calcular el factor por el cual la fricción fuerza al aumentar o disminuir.
Bloque de lugar B en bloque A la parte superior y repita el paso 1.4 cinco veces, determinar el valor promedio. Calcular el factor por el cual la fricción fuerza al aumentar o disminuir.

3. efecto del área superficial en la fuerza de fricción.

Girar el bloque B sobre el lado que contiene sólo el borde de la cacerola. El peso deberá ser colocado en la parte superior de la cara boca arriba. Medir la fuerza de fricción y se compara con el valor medido en el paso 1.2. Calcular el factor por el cual la fricción fuerza al aumentar o disminuir.

4. ángulo de reposo.

Lugar bloque A en el plano de inclinación ajustable, a partir de un ángulo de 0°. Levante lentamente el ángulo hasta que el bloque empiece a deslizar. Utilizando un transportador, mide el ángulo de reposo y usar la ecuación 3 para calcular el coeficiente de fricción estática justo antes de que el bloque comienza a deslizar. Hacer esto cinco veces y registrar el valor promedio.
Repita el paso 4.2 con el bloque B.

Los efectos de la fricción se observan fácilmente en las actividades cotidianas y aún los mecanismos físicos que gobiernan la fricción pueden ser complejo.

La fricción es una fuerza que se opone al movimiento de un objeto cuando está en contacto con una superficie. En el nivel microscópico, es causada por la rugosidad de la superficie de los materiales en contacto e interacciones intermoleculares. Pero uno puede superar esta fuerza mediante la aplicación de una fuerza externa que es igual en magnitud.

El objetivo de este video es demostrar cómo medir la fricción en un entorno de laboratorio para deslizar horizontalmente los objetos, así como por un plano inclinado.

Antes de zambullirse en el protocolo, vamos a revisar los conceptos de la fuerza de fricción. En primer lugar, usted necesita saber que hay dos tipos de fricciones – fricción cinética y estática de la fricción.

Para entender la fricción cinética, imagínese que usted está en un tubo de goma deslizar a través de un infinito campo horizontal de hielo.

Aunque el hielo se puede considerar una superficie lisa, si nos fijamos en el nivel microscópico, hay interacciones complejas entre las dos superficies que causan fricción. Estas interacciones dependen de la rugosidad de la superficie y fuerzas de atracción intermoleculares.

La magnitud de esta fuerza de fricción cinética es igual al producto del coeficiente de fricción cinética, o μK, que depende de la combinación de material de la superficie y la fuerza normal, o Fnorm que empuja la superficie y el objeto juntos.

FNORM actúa para apoyar el objeto y es perpendicular a la interfaz. En este caso, puesto que el tubo está en un terreno llano, el Fnorm es igual a y frente a la fuerza de la gravedad, que es de mg. Por lo tanto, si sabes la masa combinada con el tubo y el coeficiente de fricción cinética de goma y hielo, fácilmente podemos calcular la fuerza de fricción.

Fricción cinética de la energía cinética de puede convertir en calor y también reduce el impulso del tubo finalmente llevarla a descansar.

Ahora, esto es cuando la fricción estática – el otro tipo de fricción – entra en juego. Esta fuerza de fricción se opone al movimiento de un objeto estático y puede calcularse mediante la aplicación de una fuerza externa. La fuerza aplicada que finalmente se mueve el objeto revela la fuerza estática máxima.

La fórmula de la fuerza estática máxima es el mismo que el de fricción cinética, pero el coeficiente de fricción estática μS es típicamente mayor que μK de la misma combinación de material de la superficie.

Otra forma de superar la fuerza estática máxima es mediante el aumento de la pendiente de la superficie. En un ángulo, llamado ángulo de reposo o θR, la fuerza que tira hacia abajo de la pendiente será igual a la fuerza de fricción estática y el tubo comienza a deslizar. Esta fuerza de tracción, que es el seno del ángulo de reposo veces la fuerza de gravedad, es igual a la fuerza estática máxima, que es producto de tiempos μS de m, g y coseno de θR. Por reordenar esta ecuación, podemos calcular el coeficiente de fricción estática.

Ahora que hemos aprendido los principios de fricción, vamos a ver cómo pueden aplicarse estos conceptos para calcular experimentalmente las fuerzas y coeficientes de fricción cinética y estática. Este experimento consiste en una escala masiva, una escala de fuerza, dos bandejas de metal con diferentes coeficientes de fricción como bloque 1 y 2, un ajustable de inclinación plano, dos pesas de 1000 g y un transportador.

Añadir un peso de 1000 g a cada bloque y utilice la escala para medir las masas de los bloques de carga.

Después de conectar la balanza de fuerza para bloquear 1, tire la escala horizontalmente y observe la lectura de la fuerza justo antes de que el bloque empieza a deslizar. Grabar esta fuerza de fricción estática máxima y repetir esta medición cinco veces para obtener conjuntos de datos múltiples. Efectuar el mismo procedimiento utilizando bloque 2 y registrar estos valores.

A continuación, con la escala de fuerza conectada al bloque 1, tire de la escala a una velocidad constante y tenga en cuenta la fricción cinética fuerza en el medidor. Repita esta medida cinco veces para obtener conjuntos de datos múltiples. Otra vez, efectuar el mismo procedimiento utilizando bloque 2 y registrar estos valores.

Ahora, coloque el bloque 1 bloque 2 en la parte superior y tire la báscula a una velocidad constante para determinar la fuerza de fricción cinética. Repita esta medida cinco veces y calcular el promedio. Realizar el mismo procedimiento con el bloque 2 sobre el bloque 1.

Para el siguiente experimento, gire bloque 1 tal que el área superficial más pequeña enfrenta a la mesa y adjuntarlo a la escala de la fuerza. Ahora Mida la fuerza de fricción estática como antes haciendo la nota de la fuerza antes de que el bloque empieza a deslizar. Repita esta medida cinco veces para obtener conjuntos de datos múltiples.

Para el último experimento, coloque 1 en el plano de inclinación ajustable con el avión inicialmente en un ángulo de cero grados. Lentamente aumentar el ángulo del avión y utilizar un transportador para determinar el ángulo en el cual el bloque comienza a deslizarse. Otra vez, repita esta medida cinco veces para obtener múltiples conjuntos de datos y realizar el mismo procedimiento utilizando bloque 2.

Para los experimentos llevados a cabo sobre superficie horizontal, la fuerza normal en los bloques es igual al peso, es masa veces g. Puesto que la masa del bloque 1 y 2 para ambos experimentos de fricción estática y cinética son las mismas, Fnorm es la misma en los cuatro casos. Utilizando el promedio de los valores de fuerza medido para los diferentes experimentos y las fórmulas para ambos fricciones, pueden calcularse los coeficientes de fricción.

Como era de esperar, el coeficiente de fricción estático es mayor que el coeficiente de fricción cinética. Además, los coeficientes respectivos de los dos bloques son diferentes puesto que cada uno de ellos posee una rugosidad diferente.

En el experimento de bloques apilados, sabemos que la masa se duplica en ambos casos, por lo que podemos calcular el nuevo Fnorm. Ya sabemos que μk para el bloque en contacto con la superficie. Con esto que podemos calcular la fuerza de fricción cinética, que concuerda bien con la fuerza de medida durante el experimento.

La fuerza de fricción medida después de un cambio en la orientación del bloque 1 demostró que la superficie de contacto no afecta la fuerza de fricción. Las discrepancias entre las fuerzas calculadas y medidas son consistentes con los errores estimados asociados con la lectura de la escala de fuerza manteniendo una velocidad constante.

Los experimentos de plano inclinado, se midió el ángulo de reposo. Con este ángulo, se pudieran determinar los coeficientes de fricción estática, y aquí los valores se compara favorablemente con los coeficientes de las mediciones de desplazamiento horizontales.

Estudio de la fricción es importante en varias aplicaciones, como puede ser muy beneficioso o un fenómeno que debe reducirse al mínimo.

Es extremadamente importante para los fabricantes de neumáticos de automóvil para el estudio de la fricción, ya que permite a los neumáticos ganar tracción en una carretera. Por lo tanto, cuando llueve, el agua y el aceite residual en la carretera de reducir significativamente el coeficiente de fricción, haciendo resbalar y accidentes mucho más probables.

Mientras que los ingenieros quieren aumentar la fricción de neumáticos de coche, para motores y maquinaria en general que quieren reducirla, como fricción entre los metales puede generar calor y dañan sus estructuras. Por lo tanto, los ingenieros constantemente estudian de lubricantes que pueden ayudar a reducir el coeficiente de fricción entre dos superficies.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la fricción. Ahora debería entender qué factores contribuyen a la magnitud de la fricción, los tipos de fricción y los mecanismos físicos subyacentes que gobiernan. ¡Como siempre, gracias por ver!

Results

Tabla 1. Coeficientes de fricción.

Bloque
A	0,68	0.60
B	0,52	0.47

Tabla 2. Efecto de área de superficie y peso en la fuerza de fricción.

Medición	(N)	Factor por el cual es mayor o menor
Bloque B sobre A	16	Con de paso 1.4 = 2.3
Bloque de A en B	14	Con de paso 1.5 = 2.5
Área superficial pequeña	5	Con de paso 1.4 = 0.9

Tabla 3. Ángulo de reposo.

Bloque	Ángulo de reposo (°)
A	30	0.58
B	24	0.45

Los resultados obtenidos del experimento coincide con las predicciones de las ecuaciones 1 y 2. En el paso 1, la fricción estática es mayor que la fricción cinética. Esto es siempre el caso, como más fuerza se requiere para superar la fricción cuando un objeto no está ya en movimiento. En el paso 2, se confirmó que la fuerza de fricción es proporcional al peso de los bloques y el coeficiente de fricción cinética del bloque en contacto con la mesa. El resultado del paso 3 confirma que la superficie no afecta la fuerza de fricción. En el paso 4, el ángulo de reposo se puede aproximar por la ecuación 3. El error asociado con el laboratorio proviene de la dificultad de lectura de la escala de fuerza mientras mantiene la velocidad constante del bloque deslizante. Tomando varias mediciones y calcular la media, este efecto puede ser reducido.

Applications and Summary

Fricción es omnipresente en nuestra vida cotidiana. De hecho, no sería posible caminar sin él. Si alguien trataba de caminar sobre una superficie sin fricción, se iba en ninguna parte. Es sólo la fricción entre la parte inferior de sus pies y el suelo como su empuje los músculos contra el suelo que lo propulsa hacia adelante.

En casi todos los aspectos de la industria, ingenieros están tratando de reducir la fricción. Cuando dos superficies están en contacto, siempre habrá fricción. Esto puede tomar la forma de calor, como el calor que sentía cuando alguien frota rápidamente sus manos juntos. En aplicaciones industriales, este calor puede dañar las máquinas. Las fuerzas de fricción también se oponen a la propuesta de objetos y pueden ralentizar el hecho operaciones mecánicas. Por lo tanto, se utilizan sustancias como lubricantes para disminuir el coeficiente de fricción entre dos superficies.

Tabla 4. Ejemplo coeficientes de fricción.

Materiales
madera sobre madera	0.2
latón en acero	0.44
caucho sobre hormigón	0,8
rodamientos de bolas lubricados	< 0.01

En este experimento, se midieron los coeficientes de fricción estático y cinético para dos diferentes bloques deslizantes. Se examinó el efecto de masa sobre la fuerza de fricción, junto con el efecto de superficie. Por último, se midió el ángulo de reposo para un bloque en un plano inclinado.

Transcript

The effects of friction are easily observed in everyday activities and yet the physical mechanisms that govern friction can be complex.

Friction is a force that opposes the motion of an object when it is in contact with a surface. At the microscopic level, it is caused by surface roughness of the materials in contact and intermolecular interactions. But one can overcome this force by application of an external force that is equal in magnitude.

The goal of this video is to demonstrate how to measure friction in a lab setting for objects sliding horizontally as well as down an inclined plane.

Before diving into the protocol, let’s revisit the concepts behind the frictional force. First, you need to know that there are two types of frictions – kinetic friction and static friction.

To understand kinetic friction, imagine you are in a rubber tube sliding across an infinite horizontal field of ice.

Although ice may be considered a smooth surface, if we look at the microscopic level, there are complex interactions between the two surfaces that cause friction. These interactions depend on surface roughness and attractive intermolecular forces.

The magnitude of this kinetic friction force is equal to the product of the coefficient of kinetic friction, or μK, which depends on the material-surface combination, and the normal force, or Fnorm that pushes the object and surface together.

Fnorm acts to support the object and is perpendicular to the interface. In this case, since the tube is on a level ground, the Fnorm is equal to and opposite the force of gravity, which is mg. Therefore, if you know the combined mass of you with the tube, and the coefficient of kinetic friction for rubber and ice, we can easily calculate the force of friction.

Kinetic friction can convert some of the tube’s kinetic energy into heat and will also reduce the momentum of the tube ultimately bringing it to rest.

Now, this is when static friction – the other type of friction – comes into play. This frictional force opposes movement of a static object and could be calculated by applying an external force. The applied force that eventually moves the object reveals the maximum static force.

The formula for maximum static force is the same as the one for kinetic friction, but the coefficient of static friction μS is typically greater than μK for the same material-surface combination.

Another way to overcome the maximum static force is by increasing the slope of the surface. At some angle, called the angle of repose or θR, the force pulling down the slope will equal the static friction force and the tube will begin to slide. This pulling force, which is the sine of the angle of repose times the force of gravity, equals the maximum static force, which is μS times product of m, g, and cosine of θR. By rearranging this equation, we can calculate the coefficient of static friction.

Now that we’ve learned the principles of friction, let’s see how these concepts can be applied to experimentally calculate the forces and coefficients of both kinetic and static friction. This experiment consists of a mass scale, a force scale, two metal pans with different coefficients of friction denoted as block 1 and 2, an adjustable incline plane, two 1000 g weights, and a protractor.

Add a 1000 g weight to each block and use the scale to measure the masses of the loaded blocks.

After connecting the force scale to block 1, pull the scale horizontally and note the force reading just before the block begins to slide. Record this maximal static friction force and repeat this measurement five times to obtain multiple data sets. Perform the same procedure using block 2 and record these values.

Next, with the force scale connected to block 1, pull the scale at a constant speed and note the kinetic friction force on the gauge. Repeat this measurement five times to obtain multiple data sets. Again, perform the same procedure using block 2 and record these values.

Now, place block 1 on top of block 2 and pull the scale at a constant speed to determine the kinetic friction force. Repeat this measurement five times and calculate the average. Then perform the same procedure with block 2 on top of block 1.

For the next experiment, turn block 1 such that the smaller surface area faces the table and attach it to the force scale. Now measure the static friction force as before by making note of the force before the block begins to slide. Repeat this measurement five times to obtain multiple data sets.

For the last experiment, place block 1 on the adjustable incline plane with the plane initially at an angle of zero degrees. Slowly raise the angle of the plane and use a protractor to determine the angle at which the block begins to slide. Again, repeat this measurement five times to obtain multiple data sets and perform the same procedure using block 2.

For the experiments performed on horizontal surface, the normal force on the blocks is equal to the weight, that is mass times g. Since the mass of block 1 and 2 for both static and kinetic friction experiments are the same, Fnorm is the same in all four cases. Using the average of the measured force values for the various experiments, and the formulae for both frictions, the coefficients of friction can be calculated.

As expected, the coefficient of static friction is greater than the coefficient of kinetic friction. Furthermore, the respective coefficients for the two blocks are different since they each possess a different surface roughness.

In the stacked blocks experiment, we know that the mass doubles in both cases, so we can calculate the new Fnorm. We already know μk for the block in contact with the surface. Using this we can calculate the kinetic friction force, which agrees well with the measured force during the experiment.

The friction force measured following a change in orientation of block 1 demonstrated that the contact surface area does not affect the force of friction. The discrepancies between the calculated and measured forces are consistent with the estimated errors associated with reading the force scale while maintaining a constant speed.

For the inclined plane experiments, the angle of repose was measured. Using this angle, the coefficients of static friction could be determined, and here the values compare favorably with the coefficients measured from the horizontal sliding measurements.

Studying friction is important in several applications, as it can either be highly beneficial or a phenomenon that must be minimized.

It is extremely important for automobile tire manufactures to study friction, as it allows tires to gain traction on a road. Therefore, when it rains, the water and residual oils on the road significantly reduce the coefficient of friction, making sliding and accidents much more likely.

While engineers want to increase friction for car tires, for engines and machinery in general they want to reduce it, as friction between metals can generate heat and damage their structures. Therefore, engineers constantly study lubricants that may help in decreasing the coefficient of friction between two surfaces.

You’ve just watched JoVE’s introduction to Friction. You should now understand what factors contribute to the magnitude of friction, the different types of friction, and the underlying physical mechanisms that govern it. As always, thanks for watching!