Fricción

Los efectos de la fricción se observan fácilmente en las actividades cotidianas y, sin embargo, los mecanismos físicos que gobiernan la fricción pueden ser complejos.

La fricción es una fuerza que se opone al movimiento de un objeto cuando está en contacto con una superficie. A nivel microscópico, es causada por la rugosidad de la superficie de los materiales en contacto y las interacciones intermoleculares. Pero uno puede vencer 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 objetos que se deslizan horizontalmente y hacia abajo en un plano inclinado.

Antes de sumergirnos en el protocolo, revisemos los conceptos detrás de la fuerza de fricción. En primer lugar, debe saber que hay dos tipos de fricciones: la fricción cinética y la fricción estática.

Para entender la fricción cinética, imagina que estás en un tubo de goma deslizándote por un campo horizontal infinito de hielo.

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

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

Fnorm actúa para soportar el objeto y es perpendicular a la interfaz. En este caso, dado que el tubo está en un terreno nivelado, la Fnorm es igual y opuesta a la fuerza de gravedad, que es mg. Por lo tanto, si conoce la masa combinada de usted con el tubo y el coeficiente de fricción cinética para el caucho y el hielo, podemos calcular fácilmente la fuerza de fricción.

La fricción cinética puede convertir parte de la energía cinética del tubo en calor y también reducirá el impulso del tubo, lo que finalmente lo detendrá.

Ahora bien, aquí es cuando entra en juego la fricción estática, el otro tipo de fricción. Esta fuerza de fricción se opone al movimiento de un objeto estático y podría calcularse aplicando una fuerza externa. La fuerza aplicada que finalmente mueve el objeto revela la fuerza estática máxima.

La fórmula de la fuerza estática máxima es la misma que la de la fricción cinética, pero el coeficiente de fricción estática ? S suele ser mayor que ? K para la misma combinación de material y superficie.

Otra forma de superar la fuerza estática máxima es aumentando la pendiente de la superficie. En algún ángulo, llamado ángulo de reposo o ? R, la fuerza que tira hacia abajo de la pendiente será igual a la fuerza de fricción estática y el tubo comenzará a deslizarse. Esta fuerza de tracción, que es el seno del ángulo de reposo por la fuerza de gravedad, es igual a la fuerza estática máxima, que es ? S por el producto de m, g y coseno de ?R. Al reorganizar esta ecuación, podemos calcular el coeficiente de fricción estática.

Ahora que hemos aprendido los principios de la fricción, veamos cómo se pueden aplicar estos conceptos para calcular experimentalmente las fuerzas y los coeficientes de la fricción cinética y estática. Este experimento consiste en una escala de masa, una escala de fuerza, dos bandejas metálicas con diferentes coeficientes de fricción denotados como bloques 1 y 2, un plano de inclinación ajustable, dos pesas de 1000 g y un transportador.

Agregue un peso de 1000 g a cada bloque y use la báscula para medir las masas de los bloques cargados.

Después de conectar la escala de fuerza al bloque 1, tire de la escala horizontalmente y observe la lectura de fuerza justo antes de que el bloque comience a deslizarse. Registre esta fuerza de fricción estática máxima y repita esta medición cinco veces para obtener múltiples conjuntos de datos. Realice el mismo procedimiento utilizando el bloque 2 y registre estos valores.

A continuación, con la escala de fuerza conectada al bloque 1, tire de la escala a una velocidad constante y observe la fuerza de fricción cinética en el medidor. Repita esta medición cinco veces para obtener varios conjuntos de datos. De nuevo, realice el mismo procedimiento utilizando el bloque 2 y registre estos valores.

Ahora, coloque el bloque 1 encima del bloque 2 y tire de la escala a una velocidad constante para determinar la fuerza de fricción cinética. Repita esta medición cinco veces y calcule el promedio. A continuación, realice el mismo procedimiento con el bloque 2 encima del bloque 1.

Para el siguiente experimento, gire el bloque 1 de manera que el área de superficie más pequeña mire hacia la mesa y adjúntelo a la escala de fuerzas. Ahora mida la fuerza de fricción estática como antes, tomando nota de la fuerza antes de que el bloque comience a deslizarse. Repita esta medición cinco veces para obtener varios conjuntos de datos.

Para el último experimento, coloque el bloque 1 en el plano de inclinación ajustable con el plano inicialmente en un ángulo de cero grados. Aumente lentamente el ángulo del avión y use un transportador para determinar el ángulo en el que el bloque comienza a deslizarse. De nuevo, repita esta medición cinco veces para obtener varios conjuntos de datos y realice el mismo procedimiento utilizando el bloque 2.

Para los experimentos realizados en superficie horizontal, la fuerza normal sobre los bloques es igual al peso, es decir, la masa por g. Dado que la masa de los bloques 1 y 2 para los experimentos de fricción estática y cinética es la misma, Fnorm es la misma en los cuatro casos. Utilizando el promedio de los valores de fuerza medidos para los diversos experimentos, y las fórmulas para ambas fricciones, se pueden calcular los coeficientes de fricción.

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

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

La fuerza de fricción medida después de un cambio en la orientación del bloque 1 demostró que el área de 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 mientras se mantiene una velocidad constante.

Para los experimentos de plano inclinado, se midió el ángulo de reposo. Usando este ángulo, se pudieron determinar los coeficientes de fricción estática, y aquí los valores se comparan favorablemente con los coeficientes medidos a partir de las mediciones de deslizamiento horizontal.

El estudio de la fricción es importante en varias aplicaciones, ya que puede ser muy beneficioso o un fenómeno que debe minimizarse.

Es extremadamente importante que los fabricantes de neumáticos para automóviles estudien la fricción, ya que permite que los neumáticos ganen tracción en una carretera. Por lo tanto, cuando llueve, el agua y los aceites residuales en la carretera reducen significativamente el coeficiente de fricción, lo que hace que los deslizamientos y los accidentes sean mucho más probables.

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

Acabas de ver la introducción de JoVE a Friction. Ahora debe comprender qué factores contribuyen a la magnitud de la fricción, los diferentes tipos de fricción y los mecanismos físicos subyacentes que la gobiernan. Como siempre, ¡gracias por mirar!