Fricción

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.

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.

1. medir los coeficientes de fricción.

1. 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.
2. 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.
3. Repita el paso 1.2 con el bloque B.
4. 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.
5. Repita el paso 1.4 con el bloque B.

2. efecto del peso sobre la fuerza de fricción.

1. 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.
2. 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.

1. 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.

1. 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.
2. Repita el paso 4.2 con el bloque B.

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.

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.