Fricción

A fricción resulta da interacción entre dous corpos

A fricción ou rozamento é unha forza natural que actúa cando un obxecto está en contacto con outro e sofre a acción dunha forza que intenta movelo. A forza de fricción está causada polo contacto dos dous corpos ou do corpo en movemento co medio en que se move. A ciencia que estuda a fricción é a triboloxía.

Descrición

Forza normal

A fricción cunha superficie depende da forza normal entre o obxecto e a superficie; cuanto maior for a forza normal maior será a fricción. Pasar un dedo pola superficie dunha mesa pode ser usado como exemplo práctico: se se preme con forza o dedo, a fricción aumenta e o dedo para.

Aínda que se opoñan ó sentido de deslizamento entre as superficies de contacto, todas as formas de transporte que se desprazan sobre rodas non poderían moverse sen a fricción: é a fricción entre as rodas e o solo o que permite que as rodas se agarren ao solo, producindo movemento polo cambio de forzas. Así, a forza de fricción pode asumir características de forza motora, cando a súa acción proporciona o movemento de translación do corpo en relación á superficie.

Pode parecer estraño afirmar que non é precisa ningunha forza para manter un corpo en movemento, cando un avión se despraza a unha velocidade constante utilizando os seus poderosos motores. A razón é que a forza dos motores que impelen o avión cara a adiante é igualada pola fricción co aire a través do cal se move o avión; as dúas forzas equilíbranse de tal modo que ningunha actúa sobre o avión e este, polo tanto, continúa movéndose cunha velocidade constante.

Coeficiente de fricción

Demostra o grao de rugosidade entre dous corpos. Trátase dun concepto adimensional, ou sexa, non presenta unidade. Pode ser clasificada en dinámica ou estática, de acordo coa situación que se encontra o sistema:

• Coeficiente de fricción dinámica: presente a partir do momento en que o corpo efectúa o desprazamento. Representado por $\mu _{d}\,$.
• Coeficiente de fricción estática: presente cando o corpo se encontra na inminencia do movemento, ou sexa, no principio da actuación da forza externa. Para efecto de diferenciación, é representado por $\mu _{e}\,$.

A asociación dos módulos de cada un implica que o coeficiente de fricción dinámica será menor ou igual ao coeficiente de fricción estática:

$\mu _{d}\leq \mu _{e}\,$

Fricción dinámica

Chámase forza de fricción dinámica á forza que xorde entre as superficies que presentan movemento relativo. A forza de fricción dinámica oponse a este deslizamento entre as superficies, non necesariamente oposta ao movemento do corpo. Por exemplo: cando unha caixa está deslizando sobre unha superficie horizontal para a dereita, a forza de fricción dinámica estará aplicada na superficie de contacto da caixa e a superficie de apoio paralelamente á superficie e apuntando para a esquerda.

Outro exemplo é cando un coche se está movendo nunha estrada e decide frear bruscamente, de modo que as rodas son trabadas. O carro parará por causa da forza de fricción, que actúa entre os pneumáticos e o solo. No caso dun home empurrando unha caixa débese considerar que se a caixa está en repouso mentres o home aplica a forza, a forza de fricción entre a caixa e o plano de apoio será de fricción estática sendo contraria ao deslizamento da caixa cara a adiante; para os pés do home, a forza de fricción estará actuando no sentido de impedir o deslizamento dos pés cara a atrás. Neste caso a forza de fricción estática está apuntando cara a adiante.

No caso de que a caixa estea deslizando, a forza de fricción entre a caixa e o plano será dinámica e estará opoñéndose ao deslizamento, que nese caso coincide coa oposición ao movemento da caixa. Para o caso dos pés do home, considerando que mesmo empurrando a caixa non haxa deslizamento en relación á superficie, a forza de fricción continúa sendo de carácter estático e nese caso estará apuntando cara a adiante, ou sexa, opoñéndose ao deslizamento dos pés e consecuentemente favorábel ao movemento da caixa. Esa forza de fricción pode ser calculada pola seguinte expresión:

• $F_{at}=\mu _{d}.N$onde $F_{at}$, medida en Newtons, $\mu _{d}$ é o coeficiente de atrito dinámico e $N$ a forza que é normal á dirección do movemento (no caso de estar o corpo nun plano horizontal, ten a mesma intensidade do peso do corpo, ou sexa, $N=n.g$, onde $n$ é a masa do obxecto e $g$ é a aceleración do campo gravitacional no local).

Fricción estática

Chamamos forza de fricción estática a forza que se opón a deslizamento entre as superficies. Como exemplo, podemos citar o deslizamento dunha caixa sobre unha superficie ou tamén a fricción entre o pneumático dun coche cando este non está se movendo sobre a superficie.

Cando se intenta empurrar unha caixa en repouso en relación ao solo, nótase que dependendo da forza que é aplicada sobre a caixa, esta non sae do lugar. Así, pódese concluír que hai unha forza que actúa contra o movemento. É a denominada forza de fricción estática.

Ora, para mover a caixa, se for feita unha forza igual á fricción dinámica, a caixa non se moverá, pois as forzas anularanse. Entón, conclúese con iso que a forza de fricción estática é maior que a de fricción dinámica. Porén, na maioría dos casos, os seus valores son tan próximos que podemos consideralas aproximadamente iguais.

• $F_{at}=\mu _{e}.N$ (análogo á fricción dinámica)

Enerxía disipada

Ao mover un obxecto en contacto cunha superficie, a enerxía disipada en forma de calor é:

$E=\mu _{d}\int N(x)dx\,$

onde

N é a forza normal,

μ_d, o coeficiente de atrito dinámico,

x, o eixo no que se move o corpo.

Valores dos coeficientes de fricción:

Coeficientes de fricción dalgunhas substancias

Materiais en contacto	Estática μd	Dinámica μd
Xeo // Xeo	0,1	0,03
Vidro // Vidro	0,9	0,4
Vidro // Madeira	0,2	0,25
Madeira // Coiro	0,4	0,3
Madeira // Pedra	0,7	0,3
Madeira // Madeira	0,4	0,3
Aceiro // Aceiro	0,74	0,57
Aceiro // Xeo	0,03	0,02
Aceiro // Latón	0,5	0,4
Aceiro // Teflón	0,04	0,04
Teflón // Teflón	0,04	0,04
Caucho // Cemento (seco)	1,0	0,8
Caucho // Cemento (húmido)	0,3	0,25
Cobre // Ferro (fundido)	1,1	0,3
Esquí (encerado) // Neve (0 °C)	0,1	0,05
Articulacións humanas	0,02	0,003

Algúns casos de fricción

Tapón de champaña

Neste exemplo, para acharmos a forza que a fricción exerce no tapón sobre a boca da botella de vidro cando se tenta practicar a extracción da rolla, precisamos antes achar a área de contacto entre o tapón e a boca. Despois de obtermos este dato por contas matemáticas (superficie interna dun cilindro), é preciso achar tamén a presión exercida polo tapón na boca. A presión do tapón actúa como a forza normal na área de contacto, e, sabendo esas dúas informacións e posuíndo os coeficientes de fricción, basta utilizar a fórmula anterior para obter a forza de fricción cando se tenta abrir a botella.

Fricción no plano inclinado

Hai aquí unha particularidade: cando un corpo está sobre un plano inclinado e baixo a acción exclusiva da gravidade, a intensidade da forza normal que se utiliza para calcular a forza de fricción corresponde á compoñente perpendicular ao plano de contacto, que pode ser calculada segundo a expresión:

$N=P\times cos(\theta )$, onde $\theta$ é o ángulo de inclinación en relación á horizontal. Hai que resaltar que cando se trata dun plano inclinado, o ángulo formado por este e a horizontal corresponde ao ángulo formado polo peso do corpo sobre o plano e a súa compoñente perpendicular ao plano inclinado. Nese circunstancia, a forza de fricción que actuará sobre o corpo opoñerase ao deslizamento cara a baixo e, polo tanto, estará orientada paralelamente ao plano para riba.

A dirección da fricción é sempre perpendicular á recta tanxente á circunferencia no punto en que o coche se encontra e o sentido apunta cara ao centro. Para calcular a intensidade da friccióno úsase a seguinte fórmula, desde que se trate de movemento Circular Uniforme:

$F_{at}=$ Masa do automóbil $\times$ Aceleración centrípeta.

a fórmula xeral, que mide a fricción dunha superficie é:

$\mu _{e}\,$.m = g.sen $\theta$