[A349] Características del Rozamiento o suposiciones en Fricción (II)

Previamente ver:

[A348] Características del Rozamiento o suposiciones en Fricción (I)

Área de la superficie de contacto

Responder antes de continuar: ¿El valor de la fuerza de rozamiento depende del tamaño de la superficie de apoyo? ¿Hay que hacer la misma fuerza para empujar una mesa de madera que está apoyada en el piso, que para empujar la misma mesa con las patas para arriba (suponiendo que tanto la tabla como las patas son del mismo material y tienen igual pulido)?

Superficie de contacto = Área de apoyo entre las 2 superficies.

Al arrastrar un ladrillo por el piso (ambos materiales homogéneos), la fuerza que tendremos que hacer va a ser la misma cualquiera que sea la cara del ladrillo que esté apoyada.

Sería el mismo caso de la mesa cuando se encuentra ‘patas para arriba’ el peso se distribuye en toda la tabla originando una presión (fuerza por unidad de superficie) y el encastre de las rugosidades genera una determinada fuerza de rozamiento. 

Al invertir la mesa y como el peso es el mismo pero la superficie de apoyo es muy chica (las 4 patas), aumenta considerablemente la presión sobre el piso, entonces podemos interpretar que esta situación favorece el encastre, que ahora es mucho más profundo, originando de esta manera unas ‘microfuerzas’ considerablemente mayores que en la situación anterior. Luego el valor de la sumatoria es prácticamente el mismo en ambos casos.

La fuerza de fricción depende muy poco de la superficie total de contacto, por este motivo se considera independiente. NO es una ley, es una conclusión experimental.

También te puede interesar:
[V] Friction. Clase de Walter Lewin en el MIT (habilitar subtítulos en español)

Este supuesto tiene validez suficiente para ser útil en muchas circunstancias. Dentro de las excepciones podemos mencionar que en los neumáticos anchos se tiene mejor tracción que en los neumáticos estrechos, y que no se modifica la distancia normal de frenado de un coche. Con neumáticos anchos o con baja presión se puede obtener una mejor tracción en la nieve, ya que la presión cambia el coeficiente de fricción, como veremos a continuación.

Presión con la que se forma el contacto

Responder antes de continuar: ¿La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal que el plano ejerce sobre el cuerpo? ¿La fuerza normal es igual a la fuerza peso en cualquier caso?

En el caso de un cuerpo apoyado sobre un plano horizontal se puede comprobar que el rozamiento, al ser proporcional a la Normal, también lo es a la fuerza peso.

Pero también se presentan otros casos donde aparecen fuerzas externas (pueden ser oblícuas) o el cuerpo puede deslizarse (hacia arriba o hacia abajo) sobre un plano inclinado. En esos casos la normal no coincide con la fuerza peso, como puede observarse en la figura de arriba. 

En todos los casos vistos el objeto está en reposo o con movimiento rectilíneo, si el movimiento es curvo (ej.: móvil sobre curva peraltada), la fuerza normal se determina por el análisis de la situación, dependiendo en este caso de la velocidad del coche y del ángulo del peralte. Otro caso interesante para analizar es el de un ascensor con movimiento acelerado.

En todos los casos de rozamiento que analicemos, tanto el valor de la fuerza máxima de rozamiento, como la fuerza de rozamiento dinámica, dependerán del valor de la fuerza Normal y del coeficiente de roce entre ambas superficies.

Conclusiones

Si bien las 3 características del rozamiento mencionadas se utilizarán para la resolución de ejercicios, no debemos tomarlas como regla general, ya que en unos muy pocos casos particulares:

• La FROZ puede no ser directamente proporcional a la normal. 
• La FROZ puede llegar a depender del área de contacto.

Fuentes:

Nave, C. Hyperphysics. Georgia State University. Link.

Resnik; Halliday y Krane (2001). Física Vol I. Edic. 4°.

Tipler y Mosca (2003). Física para la ciencia y la tecnología (p. 109 a 114).

Tippens (2011). Física: Conceptos y Aplicaciones. Edic. 7°.

Imagen1. Imagen2.

[A348] Características del Rozamiento o suposiciones en Fricción (I)

En [A346] anticipábamos que los enlaces atómicos entre 2 sólidos en contacto se forman debido a:

• las irregularidades del material,
• el área de la superficie de contacto,
• la presión con la que se forma el contacto.

El estudio del rozamiento comienza con Leonardo da Vinci (siglo XV) que dedujo las leyes que gobiernan el movimiento de un bloque rectangular que desliza sobre una superficie plana, sin embargo, este estudio pasó desapercibido. En el siglo XVII el físico francés Guillaume Amontons (1663-1705) redescubrió las leyes del rozamiento estudiando el deslizamiento seco de 2 superficies planas, y sus conclusiones son esencialmente las que se estudian hoy en día:

• La fuerza de rozamiento se opone al deslizamiento, o al movimiento de un bloque que desliza sobre un plano.
• La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque.
• La fuerza de rozamiento no depende del área aparente de contacto.

El científico francés Charles Coulomb (1736-1806) añadió una propiedad más:

• Una vez empezado el movimiento, la fuerza de rozamiento es independiente de la velocidad.

Veamos con un poco más de detalle cada una de ellas.

Irregularidades del material

Responder antes de continuar: (observando las figuras siguientes): ¿La patinadora podría avanzar si no existiera rozamiento? ¿Cómo es la relación entre el rozamiento de los huesos de la rodilla y el desgaste de los mismos? ¿En las cintas transportadoras qué sentido tienen la fuerza de tracción y la fuerza de rozamiento? ¿Es más fácil caminar con botines de trabajo sobre piso de cemento que sobre piso de hielo?

Es más fácil caminar sobre piso de cemento porque el rozamiento goma-cemento es distinto que el rozamiento goma-hielo. Las superficies en contacto son rugosas, tienen picos y valles a nivel microscópico que provocan un encastre. Pero si se trata de superficies metálicas pulidas y del mismo material la fricción también aumenta, pudiendo originar una soldadura en frío.

La fuerza de rozamiento depende del material con el que estén hechas las superficies que están en contacto.

Es obvio decir que las superficies rugosas experimentan más fricción, pero toda declaración simple en rozamiento se puede refutar con algún ejemplo muy particular, por ejemplo ya mencionamos la soldadura en frío.
Otro contraejemplo observable es el caso del vidrio esmerilado frente al cristal liso, ya que las placas de vidrio liso al entrar en contacto presentan entre sus superficies mucho más resistencia por fricción al movimiento relativo de una contra la otra, que las superficies rugosas de cristal más áspero.

Fuentes:
Laplace. Departamento de Física Aplicada III. Universidad de Sevilla. Link.
Nave, C. Hyperphysics. Georgia State University. Link.
Imagen1: sitios web varios. Imagen2.

Continuamos en:

[A349] Características del Rozamiento o suposiciones en Fricción (II)

[A346] Fuerza de Rozamiento a nivel microscópico (II)

Previamente ver:

[A345] Fuerza de Rozamiento a nivel microscópico (I)

Siempre que un cuerpo se mueve estando en contacto con otro objeto, existen fuerzas de fricción que se oponen al movimiento relativo. Estas fuerzas se deben a que una superficie se adhiere contra la otra y a que encajan entre sí las irregularidades de las superficies de rozamiento. Es precisamente esta fricción la que mantiene a un clavo dentro de una tabla, la que nos permite caminar y la que hace que los frenos de un automóvil cumplan su función. En todos estos casos la fricción produce un efecto deseable.

Sin embargo en muchas otras circunstancias es indispensable minimizar la fricción, ya que en muchos casos causa desgaste y genera calor, lo que a menudo ocasiona otros perjuicios, también provoca que se requiera mayor trabajo de mantenimiento de la maquinaria, etc. Los automóviles y los aviones se diseñan con formas aerodinámicas para reducir la fricción con el aire, ya que ésta es muy grande a gran rapidez.

Siempre que se desliza una superficie sobre otra, la fuerza de fricción que ejercen los cuerpos entre sí es paralela o tangente a ambas superficies y actúa de tal modo que se opone al movimiento relativo de las superficies. Es importante observar que estas fuerzas existen no sólo cuando hay un movimiento relativo, sino también cuando uno de los cuerpos tan sólo tiende a deslizarse sobre otro (Tippens; 2011).

Responder antes de continuar: ¿De qué variables dependen los coeficientes de fricción?

Los coeficientes de fricción dependen de muchas variables: naturaleza de los materiales, acabado de las superficies, películas interpuestas de otros materiales, temperatura y grado de contaminación de los componentes, etc.

Si colocamos dos superficies metálicas muy limpias en una cámara con un gran vacío para que no se formen capas superficiales de óxido, el coeficiente de fricción se incrementa alcanzando valores muy grandes, y las superficies se sueldan firmemente una con otra. La entrada de una pequeña cantidad de aire en la cámara, de modo que puedan formarse capas de óxido en las superficies opuestas, reduce el coeficiente a su valor normal.

La resistencia de fricción se relaciona con la ruptura de estos millares de soldaduras diminutas, que continuamente se reconfiguran a medida que se efectúan más contactos aleatorios. Los experimentos con trazadores radiactivos han demostrado que, en el proceso de rompimiento, los fragmentos pequeños de una superficie metálica pueden desprenderse y adherirse a otras superficies. Si la rapidez relativa de dos superficies es bastante grande, puede producirse una fusión local en algunas áreas de contacto aunque la superficie en su conjunto se sienta sólo un poco caliente. Los fenómenos de ‘adhesión y deslizamiento’ son la causa de los ruidos que las superficies secas producen cuando resbalan una sobre otra, por ejemplo, el chirrido de la tiza en el pizarrón (Resnik y ot., 2001:97-98).

Responder antes de continuar: ¿Cómo se denomina al rozamiento que no ocurre en seco?

El rozamiento seco es el producido entre dos superficies en contacto y no lubricadas. Es lo que vimos hasta ahora y separábamos en rozamiento estático y rozamiento dinámico, donde los átomos de uno y otro sólido forman pequeños enlaces temporales que es necesario romper para conseguir el desplazamiento relativo.

Mientras que el rozamiento viscoso se da en el caso del movimiento de un sólido en el interior de un fluido (líquido o gas). Este rozamiento está causado por las colisiones con las partículas del fluido que deben ser apartadas para que el sólido pueda moverse por él.

Responder antes de continuar: ¿Cómo se forman los enlaces entre los átomos de dos sólidos en contacto?

Estos enlaces se forman debido a las irregularidades del material, a la presión con la que se forma el contacto y al área de la superficie de contacto.

También te puede interesar:
[A348] Características del rozamiento (I)

[A] Fuerzas de rozamiento (GIE)

Fuentes:

Laplace. Departamento de Física Aplicada III. Universidad de Sevilla. Link.

Resnik, Halliday y Krane (2001). Física Vol I. Edic. 4°.

Tippens (2011). Fisica Conceptos y Aplicaciones. Edic. 7°.

Imagen1.

[A345] Fuerza de Rozamiento a nivel microscópico (I)

Las personas que empujan un objeto en [A340] no hacen mímica, ya que sus rostros se ponen “colorados” por el esfuerzo, lo que nos permite interpretar o imaginar la fuerza que están haciendo. Pero nos faltan respuestas:

Responder antes de continuar: ¿Quién ejerce la fuerza de rozamiento? ¿Cómo se materializa?

Si observáramos las dos superficies que están en contacto con algún instrumento que las amplíe (digamos unas 100 a 1.000 veces) veremos que por más lisas que nos parezcan a simple vista, en realidad poseen hendiduras y salientes, y que ambas superficies terminan como "encastrándose".

Esto se puede fotografiar con cámaras especiales para poder observar la diferencia entre una imagen aumentada y la misma a simple vista, como en el caso de la superficie de acero inoxidable pulido siguiente.

Debido a la acción de una fuerza externa, al producirse el encastre que mencionamos, se generan unas fuerzas diminutas de contacto (microfuerzas) entre picos y valles. La sumatoria de todas las componentes de esas microfuerzas que se oponen al deslizamiento entre los cuerpos (o sea que tienen sentido inverso a la fuerza externa), se pueden representar por una única fuerza: la fuerza de rozamiento.

La fuerza de rozamiento se materializa como sumatoria de un sinnúmero de microfuerzas que ocurren a nivel microscópico y se oponen a la fuerza externa que intenta provocar el desplazamiento relativo entre dos cuerpos.

La fricción se debe a las irregularidades de las superficies que están en contacto, y depende de los materiales y de la presión que se hacen mutuamente.

Aunque las superficies parezcan muy lisas tienen irregularidades microscópicas que entorpecen el movimiento. Los átomos se adhieren entre sí en muchos puntos de contacto. Cuando un objeto se desliza contra otro debe subir sobre los picos de las irregularidades, o se deben desprender átomos por la fricción. En cualquiera de los casos se requiere una fuerza (Hewitt, 2007).

Debemos tener cuidado con la interpretación de la ecuación para calcular el rozamiento dinámico, ya que se trata de la aproximación de un fenómeno mucho más complejo a nivel microscópico. Si pretendemos deslizar una caja sobre una superficie, por un lado se forman y por otro lado se rompen los enlaces entre ambas superficies, variando su número, por esta razón la fuerza de fricción cinética no es perfectamente constante (Sears, Zemansky, 2009). Esto nos permite volver a la figura vista en [A341] e interpretar la irregularidad de la gráfica en el período dinámico. Los mismos autores expresan que dos superficies pulidas del mismo metal podrían aumentar la fricción entre ellos, ya que más moléculas podrían interactuar y enlazarse, provocando una ‘soldadura fría’. Por esta razón en los motores se lubrican las superficies para evitar que entren en contacto.

Fuentes:

Hewit (2007). Física conceptual. Ed. 10°.

Hincapié Martínez (2011). Predicción, Experimentación y Simulación en la Enseñanza de la Fuerza de Rozamiento. Universidad de Colombia. Pág. 15.

Sears y  Zemansky (2009). Física Universitaria Vol. 1. México.

Imagen1. Imagen2.

Continuamos en:

[A346] Fuerza de Rozamiento a nivel microscópico (II)