PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 03 FUERZAS DE FRICCIÓN I.
OBJETIVOS: Estudiar las características de los coeficientes de rozamiento dinámico y estático de diferentes materiales. Calcular el coeficiente de fricción estático y cinético para deslizamiento en superficies arbitrarias (caso de la madera). Verificar la relación entre el coeficiente fricción y la fuerza de rozamiento. Realizar cálculos cinemáticos basándose en consideración dinámicas y mecánicas para los materiales y accesorios empleados.
II.
FUNDAMENTO TEORICO:
Cada vez que empujamos o jalamos un cuerpo que descansa en superficie perfectamente horizontal con una fuerza, se logra impartir una cierta velocidad, este se detiene poco tiempo después de retirar la fuerza. Además hay ocasiones en que al empujar el objeto este ni siquiera adquiere una velocidad y se mantiene en reposo. Esto se debe a que existe una fuerza que se opone a que este continuara deslizándose. Esta fuerza se conoce como la fuerza de fricción o de rozamiento. La magnitud de esta fuerza opuesta al movimiento depende de muchos factores tales como la condición y la naturaleza de las superficies, la velocidad relativa, etc. Se verifica experimentalmente que la fuerza de fricción f, tiene una magnitud proporcional a la fuerza normal N de presión de un cuerpo sobre otro. La constante de proporcionalidades llamada coeficiente de fricción y lo designamos con la letra griega µ, la relación queda como:
El signo negativo se justifica debido a que esta fuerza se opone al movimiento de acuerdo a la figura (1). Si la fuerza F es la fuerza aplicada, lo que mueve al móvil hacia la derecha será la resultante R dada por la ecuación (2):
Movimiento N
R F mg Fig. (1): Fuerza resultante R actuando sobre el bloque.
Ahora, dado la relación entre la fuerza y la aceleración del móvil podemos reescribir la ecuación (3) como:
Donde: m, masa del móvil. α, aceleración del móvil debida a la acción de la fuerza F. F, es la fuerza aplicada N, es el producto de la masa del móvil y la aceleración gravitacional.
Diferenciando la fuerza de fricción estática y la fuerza de fricción cinética, es que la primera evita que comience el deslizamiento y la segunda, se opone a la continuación del deslizamiento una vez comenzado. El objeto se mantiene en reposo cuando se aplica la fricción estática; sin embargo si la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de fricción estática máxima, el objeto empieza a moverse y pasamos al régimen de la fricción cinética. La fricción estática máxima está dada por:
Donde:
coeficiente de fricción estático.
Y la fricción cinética:
Donde:
coeficiente de fricción cinética.
La relación entre la fuerza F que se aplica y la fuerza de fricción f puede representarse mediante la siguiente figura (2):
Zona estática
zona cinética
F
Figura (2): relación entre la fuerza aplicada F y la fuerza de fricción . En general:
< Tabla (1): coeficientes de fricción.
Superficie
Coeficientes de fricción estático
Coeficiente de fricción cinético
Madera sobre madera
0.4
0.2
Hielo sobre hielo
0.1
0.03
Metal sobre metal(lubricado)
0.15
0.07
Articulaciones en humanos
0.01
0.01
Corcho sobre aluminio seco
0.4
0.3
Plástico sobre aluminio seco
0.2
0.1
III.
EQUIPOS Y MATERIALES Computadora personal:
Software data Studio instalado:
Interface Science Workshop 750:
Sensor de movimiento (CI-6742) Sensor de fuerza (CI-6537) Cajón de fricción (material Madera)
Una masa accesoria de 0.25kg.
Conjunto de pesas (diferente magnitudes):
Carril, tope y polea más 1.60m de hilo negro. Balanza analógica.
IV.
PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES Procedimientos para configuración de equipos y accesorios. a) Verificar la conexión e instalación de la interface b) Ingresar al software data Studio y seleccionar la actividad Crear experimento. c) Seleccionar sensor de movimiento y sensor de fuerza, de la lista de sensores, efectuar la conexión usando los cables para transmisión de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio. d) Efectuar la calibración correspondiente considerando una frecuencia para disparo de 5 registros por segundo para el sensor de movimiento y un muestreo lento de un registro por segundo para el sensor de fuerza, especificando atracción positiva con un valor máximo de 500gr. Y mínimo de 0gr. e) Mida y anote la masa del cajón de fricción (madera), la masa adicional, sensor de fuerza y masa total en la tabla (2). f)
Realizar el montaje de equipos y accesorios, tal como se muestra en la figura (3).
g) Genere un grafico para dos de los parámetros medidos por el sensor de movimiento y de fuerza (aceleración y fuerza).
h) Aumente la precisión y coloque los encabezados correspondientes en las tablas y graficas generadas.
Sensor de Movimiento
Sensor de fuerza Polea Tope
Cajón de fricción
Pesas Figura (3): montaje de equipos y accesorios.
Primera actividad (determinación de los coeficientes de fricción) a) Coloque el móvil a 15 cm. Del censor de movimiento. b) En el porta pesos coloque una masa de 0.35 kg. Y pulse el botón inicio, agregue masas con un avance de 10 gr. En cada caso. Cuando el conjunto móvil logre movimiento y llegue a la posición final (tope), pulse el botón detener. c) Repetir los pasos de a) hasta c) 10 veces y anote sus resultados en la tabla (2).or de
, tal
Tabla(2): datos evaluados con sensor de movimiento y fuerza en laboratorio. 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.1
0.2
0.8
0.5
10.9
10.9
13.4
14.0
16.2
18.0
Tención(N)
1.38
1.47
1.58
1.59
1.64
1.65
1.80
1.79
1.88
1.90
Masa aplicada(Kg1)
0.625
0.625
0.625
0.625
0.625
0.625
0.625
0.625
0.625
0.625
Masa aplicada(Kg2)
215
225
235
245
255
265
275
285
295
305
EVENTOS Aceleración(m/s
2
Tabla(3) : masa del conjunto móvil
Promedio
Masa del cajón de fricción (kg) Masa adicional(opcional)(kg) Masa del sensor de fuerza(kg) Total en(kg) Normal en (kg) Angulo de elevación del Carril(opcional)
V.
0,286 ------0,335 0,625 -------------
CUESTIONARIO.
1) Calcule el coeficiente de fricción para cada valor de aceleración y masa aplicada, considere el siguiente cuadro. DATO
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
REGIS TRADO
0.96 0.36 0.38
0.39 0.41
0.42
0.44
0.46
0.47
0.49
0.94 0.33 0.32
0.32 -1.14
-1.16
-1.53
-1.63
-1.96
-2.25
2) Calcule un promedio de
de la tabla anterior
Promedio
Promedio
4.34
-5.76
3) Calcule los errores absoluto, relativo y porcentual considerando los datos experimentales de la pregunta anterior y teóricos propuestos en la tabla (1) para los coeficientes de fricción. dato
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Abs
0.02
0.03
0.06
0.07
1.55
1.58
1.97
2.09
2.43
2.74
%
2%
3%
6%
7%
155% 158% 197% 209% 243% 274%
4) Según usted a que debe la diferencia entre
, explique.
No se tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento dinámico y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es algo mayor que el dinámico, porque al permanecer en reposo ambas superficies pueden aparecer enlaces iónicos, o incluso microsoldaduras entre las superficies, factores que desaparecen en estado de movimiento. Éste fenómeno es tanto mayor cuanto más perfectas son las superficies.
Fricción estática (FE); es la resistencia que se debe superar para poner en movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto.
Fricción dinámica (FD); es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al movimiento pero una vez que éste ya comenzó.
En resumen, lo que diferencia a un roce con el otro, es que el estático actúa cuando los cuerpos están en reposo relativo en tanto que el dinámico lo hace cuando ya están en movimiento
5) ¿Será necesario considerar la fricción del conjunto con el aire circundante?, si su respuesta es afirmativa, explique ¿por qué? No se considera por que el tamaño del objeto es muy pequeño y la fuerza de fricción ejercida sobre el casi es nula.
6) ¿De qué depende el coeficiente de fricción estático? Los coeficientes estático y cinético dependen exclusivamente de las condiciones de preparación y de la naturaleza de las dos superficies y son casi independientes del área de la superficie de contacto.
7) El coeficiente de fricción, ¿será el mismo cuando se aplique un lubricante entre las superficies en contacto? Las fuerzas de roce se pueden aminorar mediante al menos tres procedimientos: alisando las superficies en contacto, aplicando lubricante a las superficies en contacto o dando una forma aerodinámica, para "romper" el aire (fluido), a los objetos.
8) ¿el coeficiente cinético varía con la velocidad? El coeficiente, (salvo para algún material raro tipo fluidos muy viscosos o fluidos no newtonianos) no suele variar con la velocidad. Sin embargo, la fuerza de rozamiento SÍ suele mostrar dependencias con la velocidad. 9) ¿afecta el peso del bloque a loa coeficientes de fricción?
El coeficiente de fricción de un material es el mismo para ese material, sin importar el peso. Lo q lo puede afectar es la temperatura, la humedad, el desgaste del material, etc. Si aplicas la misma fuerza a dos bloques de igual material pero de distinto peso notarás q el más pesado tomará más tiempo en llegar al mismo punto q el otro. La relación entre los pesos y el tiempo te ayuda a calcular el coeficiente de fricción.
10) El coeficiente de fricción, ¿varia según la temperatura del cuerpo? a) Para grandes cargas el coeficiente de fricción se reduce rápidamente en la medida que la carga se incrementa, en particular cerca del punto de congelamiento. b) Para cargas pequeñas el coeficiente de fricción es independiente de la fuerza normal c) El tamaño de la fuerza friccional varía con la temperatura, con el coeficiente de fricción estática incrementando tres o cuatro órdenes de magnitud entre -1ºC y -25ºC. d) Finalmente, el coeficiente de fricción cinética es bastante menor que el estático.
11) La fuerza de fricción, ¿depende de las interacciones entre las moléculas de las dos superficies? La fuerza de fricción, f, es una interacción que se opone al movimiento de una superficie respecto a otra. Se genera debido a los enlaces entre las moléculas en la interface de las superficies, en aquellos lugares en que los objetos están en íntimo contacto. Experimentalmente se encuentra que la fuerza de fricción depende de la naturaleza de las dos superficies, lo que se considera en el coeficiente de Fricción (μ). También depende de la fuerza con que las dos superficies están presionadas una con la otra, es decir depende de la fuerza de contacto o normal (N).
12) Si el móvil empleado (con superficie de corcho) se colocara sobre un plano inclinado ¿Cuál debería ser el ángulo para el cual el cuerpo se quedaría inmóvil?
13) ¿Qué es el coeficiente de viscosidad?, ¿tiene relación con el coeficiente de fricción? La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad: Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como η o μ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa*s] = [kg•m-1•s-1]; otras unidades: 1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa*s] = [10-1 kg•s-1•m-1] Coeficiente de viscosidad cinemática, designado como ν, y que resulta ser igual al cociente entre el coeficiente de viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en el SI: [ν] = [m2.s-1]. En el sistema cegesimal es el Stokes. Se lo llama " eta " (η). Este coeficiente da una idea de la fuerza que hay que hacer para " deformar " al fluido. Eta me daría algo así como la resistencia
que opone un líquido a fluir. Vendría a ser una medida de cuánto se frena el líquido cuando circula por un caño. Cuanto más grande sea Eta, mayor será el rozamiento con las paredes. O sea, este coeficiente es un número que da una idea de la tendencia que tiene el líquido a pegarse a las paredes de un caño. A mayor temperatura, el líquido es más fluido
El coeficiente de rozamiento o coeficiente de fricción expresa la oposición al movimiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Es un coeficiente a dimensional. Usualmente se representa con la letra griega μ (mu). El valor del coeficiente de rozamiento es característico de cada par de materiales en contacto; no es una propiedad intrínseca de un material.
VI.
CONCLUSIONES: El data estudio nos ayuda a ver los resultados que se obtiene de las practicas que se ase
VII.
RECOMENDACIONES: Utilizar equipos y materiales de ultima generacion, para que nos facilite el aprendizaje
VIII.
BIBLIOGRAFIA:
http://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Newton http://www.phy6.org/stargaze/Mnewton.htm
http://www.her.itesm.mx/academia/profesional/cursos/fisica_2000/Fisica1/F%C3%ADsica/ ftema5_ln.html
Física General; Santiago Burbanode Ercilla, VV Staff, Burbano DeErcilla, Santiago / Vv.aa; EditorialTebar, pág. 86.
