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5.6 Rozamiento

La fuerza de fricción (o fuerza de rozamiento) aparece cuando dos cuerpos estan en contacto y se deslizan uno respecto al otro.

Históricamente, el estudio del rozamiento comienza con Leonardo da Vinci 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 Guillaume Amontons, físico francés, redescubrió las leyes del rozamiento estudiando el deslizamiento seco de dos superficies planas. Las conclusiones de Amontons son esencialmente las que estudiamos en los libros de Física General:

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

La mayoría de las superficies, aún las que se consideran pulidas son extremadamente rugosas a escala microscópica. Los picos de las dos superficies que se ponen en contacto determinan el área real de contacto que es una pequeña proporción del área aparente de contacto. El área real de contacto aumenta cuando aumenta la presión (la fuerza normal) ya que los picos se deforman.

Los metales tienden a soldarse en frío, debido a las fuerzas de atracción que ligan a las moléculas de una superficie con las moléculas de la otra. Estas soldaduras tienen que romperse para que el deslizamiento se presente. Además, existe siempre la incrustación de los picos con los valles. Este es el origen del llamado rozamiento estático, que se manifiesta cuando se aplica una fuerza sobre uno de los cuerpos en contacto sin lograr ponerlo en movimiento. El rozamiento estático justifica el equilibrio en este caso.

Cuando un cuerpo se desliza sobre otro, las soldaduras en frío se rompen y se rehacen constantemente. Pero la cantidad de soldaduras que haya en cualquier momento se reduce por debajo del valor estático, de modo que el coeficiente de rozamiento cinético es menor que el coeficiente de rozamiento estático.

En la figura, se muestra un bloque arrastrado por una fuerza F horizontal. Sobre el bloque actúan el peso mg, la fuerza normal N que es igual al peso, y la fuerza de rozamiento Fk entre el bloque y el plano sobre el cual desliza. Si el bloque desliza con velocidad constante la fuerza aplicada F será igual a la fuerza de rozamiento Fk.

Podemos investigar la dependencia de Fk con la fuerza normal N. Veremos que si duplicamos la masa m del bloque que desliza colocando encima de éste otro igual, la fuerza normal N se duplica, la fuerza F con la que tiramos del bloque se duplica y por tanto, Fk se duplica.

La fuerza de rozamiento dinámico Fk es proporcional a la fuerza normal N.

Fk = µ k N

La constante de proporcionalidad µk es un número sin dimensiones que se denomina coeficiente de rozamiento cinético.

El valor de µk es casi independiente del valor de la velocidad para velocidades relativas pequeñas entre las superficies, y decrece lentamente cuando el valor de la velocidad aumenta.

Un procedimiento experimental para medir el coeficiente de rozamiento cinético puede estudiarse en la simulación Medición del Coeficiente de Fricción Cinético.

La tabla de abajo muestra algunos valores de m k

Superficies en contacto Coeficiente dinámico m k
Acero sobre acero 0.18
Acero sobre hielo (patines) 0.02-0.03
Acero sobre hierro 0.19
Hielo sobre hielo 0.028
Patines de madera sobre hielo y nieve 0.035
Goma (neumático) sobre terreno firme 0.4-0.6
Correa de cuero (seca) sobre metal 0.56
Bronce sobre bronce 0.2
Bronce sobre acero 0.18
Roble sobre roble en la dirección de la fibra 0.48

También existe fuerza de rozamiento entre dos objetos que no están en movimiento relativo, como ya señalamos.

roza5.gif (2351 bytes)

Como vemos en la figura la fuerza F aplicada sobre el bloque aumenta gradualmente, pero el bloque permanece en reposo. Como la aceleración es cero la fuerza aplicada es igual y opuesta a la fuerza de rozamiento estático Fe.

F = Fe

La máxima fuerza de rozamiento corresponde al instante en el que el bloque está a punto de deslizar.

Fe máx  = m eN

La constante de proporcionalidad m e se denomina coeficiente de rozamiento estático.

Los coeficientes de rozamiento estático y dinámico dependen de las condiciones de preparación y de la naturaleza de las dos superficies y son casi independientes del área de la superficie de contacto.

Un procedimiento experimental para medir el coeficiente de rozamiento estático puede estudiarse en la simulación Medición del Coeficiente de Fricción Estático.

La tabla de abajo permite comparar los coeficientes de rozamiento estáticos y cinéticos para ciertos casos.

Superficies en contacto Coeficiente estático m e Coeficiente dinámico m k
Cobre sobre acero 0.53 0.36
Acero sobre acero 0.74 0.57
Aluminio sobre acero 0.61 0.47
Caucho sobre concreto 1.0 0.8
Madera sobre madera 0.25-0.5 0.2
Madera encerada sobre nieve húmeda 0.14 0.1
Teflón sobre teflón 0.04 0.04
Articulaciones sinoviales en humanos 0.01 0.003

En las clases prácticas se estudiaran varios casos de movimiento bajo los efectos de la fuerza de rozamiento. Las siguientes simulaciones pueden ayudar al alumno a preparase para estos estudios:

El estudiante interesado puede profundizar en este tema en la página web Friction.

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