MARCO TEÓRICO: CONCEPTO: La fuerza de fricción o la fuerza de rozamiento es la fuerza que existe entre dos superficies en contacto, que se opone al movimiento relativo entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas imperfecciones hacen que la fuerza perpendicular R entre ambas superficies no lo sea perfectamente, sino que forme un ángulo con la normal N (el ángulo de rozamiento). Por tanto, la fuerza resultante se compone de la fuerza normal N (perpendicular a las superficies en contacto) y de la fuerza de rozamiento F, paralela a las superficies en contacto.
TIPOS DE FRICCIÓN: FUERZA DE FRICCIÓN DINÁMICA: Cuando dos superficies se mueven una respecto de la otra, la resistencia de fricción es casi constante, para un amplio rango de velocidades bajas, y en el modelo estándar de fricción, la fuerza de fricción, está descrita por la relación de abajo. El coeficiente típicamente es menor que el coeficiente de fricción estática, reflejando la experiencia común, de que es mas fácil mantener algo en movimiento a lo largo de una superficie horizontal, que iniciar el movimiento desde el reposo.
FUERZA DE FRICCIÓN ESTÁTICA: Las fuerzas de fricción estáticas que se produce por la interacción entre las irregularidades de las dos superficies se incrementarán para evitar cualquier movimiento relativo hasta un límite donde ya empieza el movimiento. Ese umbral del movimiento, está caracterizado por el coeficiente de fricción estática. El coeficiente de fricción estática, es típicamente mayor que el coeficiente de fricción cinética. No se puede caracterizar de manera simple la distinción entre los coeficientes estático y cinético de fricción, se trata de un aspecto del "mundo real", la experiencia común de un fenómeno. La diferencia entre los coeficientes estáticos y cinéticos obtenidos en los experimentos simples, como bloques de madera deslizándose sobre pendientes de madera, sigue más o menos el modelo representado en la curva de fricción que se ilustra arriba, de donde se ha extraído. Esta diferencia puede surgir de las irregularidades, contaminantes de las superficies, etc., que desafían una descripción precisa. Cuando estos experimentos se llevan a cabo con bloques de metal suave, que se limpian cuidadosamente, la diferencia entre los coeficientes estático y cinético tiende a desaparecer. Cuando en una determinada combinación de superficies, se citan coeficientes de fricción, generalmente está referido al coeficiente de fricción cinética, por ser el número más fiable.
ROZAMIENTO ENTRE SUPERFICIES DE DOS SÓLIDOS : En el rozamiento entre dos cuerpos se ha observado los siguientes hechos:
La fuerza de rozamiento tiene dirección paralela a la superficie de apoyo. El coeficiente de rozamiento depende exclusivamente de la naturaleza de los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies. La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que actúa entre las superficies de contacto. Para un mismo par de cuerpos (superficies de contacto), el rozamiento es mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando ya ha comenzado (estático Vs. cinético).
El rozamiento puede variar en una medida mucho menor debido a otros factores:
El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de las superficies de contacto. El coeficiente de rozamiento cinético es prácticamente independiente de la velocidad relativa entre los móviles. La fuerza de rozamiento puede aumentar ligeramente si los cuerpos llevan mucho tiempo sin moverse uno respecto del otro ya que pueden sufrir atascamiento entre sí.
ROZAMIENTO EN UN PLANO INCLINADO: ROZAMIENTO ESTÁTICO: Si sobre una línea horizontal r, se tiene un plano inclinado un ángulo α y sobre este plano inclinado se coloca un cuerpo con rozamiento, se tendrán tres fuerzas que intervienen: “
”
P: el peso del cuerpo vertical hacia abajo según la recta u, y con un valor igual a su masa por la aceleración de la gravedad: P = mg. N: la fuerza normal que hace el plano sobre el cuerpo, perpendicular al plano inclinado, según la recta t Fr: la fuerza de rozamiento entre el plano y el cuerpo, paralela al plano inclinado y que se opone a su deslizamiento. Si el cuerpo está en equilibrio, no se desliza, la suma vectorial de estas tres fuerzas es cero:
P+Fr+N=0
Rozamiento dinámico: En el caso de rozamiento dinámico en un plano inclinado, se tiene un cuerpo que se desliza, y siendo que está en movimiento, el coeficiente que interviene es el dinámico µd , así como una fuerza de inercia Fi, que se opone al movimiento, el equilibrio de fuerzas se da cuando: “
”
P+Fr+N+Fi=0
A continuación, los coeficientes de rozamiento estático y dinámico de algunas sustancias: Materiales en contacto
µe
µd
Articulaciones humanas
0,02
0,003
Acero // Hielo
0,028
0,09
Acero // Teflón
0,04
0,04
Teflón // Teflón
0,04
0,04
Hielo // Hielo
0,1
0,03
Esquí (encerado) // Nieve (0 °C)
0,1
0,05
Acero // Acero
0,15
0,09
Vidrio // Madera
0,25
0,2
Caucho // Cemento (húmedo)
0,3
0,25
Madera // Cuero
0,5
0,4
Caucho // Madera
0,7
0,6
Acero // Latón
0,5
0,4
Madera // Madera
0,7
0,4
Madera // Piedra
0,7
0,3
Vidrio // Vidrio
0,9
0,4
Caucho // Cemento (seco)
1
0,8
Cobre // Hierro (fundido)
1
0,3
ROZAMIENTO ENTRE SÓLIDO Y FLUIDO: La fricción aerodinámica depende del régimen o tipo de flujo que exista alrededor del cuerpo en movimiento:
Cuando el flujo es laminar la fuerza de oposición al avance puede modelizarse como proporcional a la velocidad del cuerpo, un ejemplo de este tipo de resistencia aerodinámica es la ley de Stokes para cuerpos esféricos. Cuando el cuerpo se mueve rápidamente el flujo se vuelve turbulento y se producen remolinos alrededor del cuerpo en movimiento, y como resultado la fuerza de resistencia al avance es proporcional al cuadrado de la velocidad (v2), de hecho, es proporcional a la presión aerodinámica.
ROZAMIENTO CON LUBRICACIÓN: Una cuestión de interés práctico es un problema mixto donde pueden aparecer tanto fenómenos de rozamiento entre sólidos como entre fluido y sólido, dependiendo de la velocidad. Se trata del caso de dos superficies sólidas entre las cuales existe una fina capa de fluido. Stribeck2 demostró que a muy bajas velocidades predomina un rozamiento como el que ocurre entre dos superficies secas, y a velocidades muy altas predomina un rozamiento hidrodinámico. La mínima fricción se alcanza para una velocidad intermedia dependiente de la presión del fluido, su "viscosidad cinemática".
ROZAMIENTO EN MEDIOS FLUIDOS: La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido que está siendo deformado por una presión, una tensión tangencial o una combinación de tensiones internas. En términos generales, es la resistencia de un líquido a fluir, comúnmente dicho, es su "espesor". Viscosidad describe la resistencia interna de un líquido a fluir y puede ser pensado como una medida de la fricción del fluido. Así, el agua es "delgada", ya que tiene baja viscosidad, mientras que el aceite vegetal es "densa", con una mayor viscosidad. Todos los fluidos reales (excepto los superfluidos) tienen cierta resistencia a la tensión. Un fluido que no tiene resistencia al esfuerzo cortante se conoce como un fluido ideal o líquido no viscoso.
