Fuerza de Friccion

I.-OBJETIVOS 

Calcular el coeficiente de fricciónestático y cinético para deslizamiento en superficies arbitrarias.  Realizar cálculos dinámicos basándose en consideraciones dinámicas y mecánicas para los materiales y accesorios empleados.

II.-FUNDAMENTO TEÓRICO Cada vez que empujamos o jalamos un cuerpo que descansa en una superficie perfectamente horizontal con una fuerza, se logra impartir una cierta velocidad, este se detiene poco tiempo después de retirar la fuerza. 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 de naturaleza de la superficie, la velocidad relativa, etc. Se verifica experimentalmente que la fuerza de fricción tiene una magnitud proporcional a la fuerza normal N de presión de un cuerpo sobre otro. La constante de proporcionalidad es llamada coeficiente de fricción y lo desintegramos con la letra griega la relación queda como:





 = − … … . . (1) El signo negativo se justifica debido a que esta fuerza se opone al movimiento de acuerdo a la figura (1) el movimiento fuera hacia la derecha, lo que mueve al móvil será la fuerza resultante R dada ecuación (2):

Figura (1): fuerza resultante R actuando sobre el bloque

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO PUNO

Página 1

 =   − . … … .. (2) ANALISIS EXPERIMENTAL: Cuando se aplica una fuerza a un objeto que descansa sobre una superficie, que no se mueve hasta que la fuerza que se le aplique es mayor que la fuerza máxima debido a la fricciónestática. El coeficiente de la fricciónestática (  es simplemente la relación entre la fuerza de fricciónestática máxima (  y la fuerza normal (  :

)

 )

)

 =  ……….( ………. (3) Para mantener el objeto en movimiento a una velocidad constante, una fuerza se debe aplicar al objeto igual a la fuerza cinética. Por lo tanto, el coeficiente de friccióncinética (  es la relación entre la fuerza de friccióncinética (  y la fuerza normal (  :

)

)

)

 =  ………..(4) Ahora, si el grafico grafico o el sistema tienen tienen una configuración configuración inclinada, inclinada, donde donde la masa 1 unida unida al sensor está ubicada encima del carril tiene un movimiento ascendente, tal como se muestra en la figura (2).

1

Move

2 

Figura (2): configuración experimental con pendiente

Lasecuaciones que rigieran el movimiento serán:

∑=.………(5) UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO PUNO

Página 2

:  =         =        Para lo que debieran encontrarse las ecuaciones que permitan determinar los coeficientes de rozamiento estático y cinético.

Diferenciando la fuerza de fricciónestáticay fricciónestáticay la fuerza de friccióncinética, 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 fricciónestática; sin embargo si la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de fricciónestática máxima, el objeto empieza a moverse y pasamos al régimen de la friccióncinética. La fricciónestático máxima está dada por:

 = ……..( …….. (6) :  =       Y la friccióncinética: friccióncinética:

 = ……..( …….. (7) :  =      

SUPERFICIE

Madera sobre madera Hielo sobre hielo Metal sobre metal (lubricado) Articulaciones Articulaciones en humanos humanos Corcho sobre aluminio seco Plástico sobre aluminio seco

Coeficiente de fricciónestático (  )

0.4 0.1 0.15 0.01 0.4 0.2



Coeficiente de fricción cinético (

0.2 0.03 0.07 0.01 0.3 0.1

 )

Cuadro (1):valores (1):valores de coeficiente de rugosidad para diferentes superficies.


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III.- EQUIPOS Y MATERIALES. Computadora personal Software data studio instalado Interface scienceworkshop 750 Sensor de movimiento (CI-6742) Sensor de fuerza (CI-6537) Cajón de fricción (material madera) Accesorios de fricción ME-8574 500gr. Masas variables o bloques adicionales Una masa accesoria de 0.25 Kg. Conjunto de pesas (diferentes magnitudes) Carril, tope y polea mas 1.60m de hilo negro Balanza analógica.

           

IV.-PROCEDIMIENTOS Y ACTIVIDADES Procedimiento para configuración de equipos y accesorios. a. Verificar la conexión e instalación de la interface b. Arme el experimento de acuerdo a la figura 2 Toma de datos::


Página 4

MATERIAL CORCHO

MATERIAL PLASTICO

0.187

0.192

0.339

0.339

0.526

0.531

masa del cajon de friccion (Kg.) masa adicional (Kg.) (posicion 1, fig.(2)) 0.339

masa del sensor de fuerza (Kg.)

MASA TOTAL

TABLA (2): DATOS DEL PLANO INCLINADO MATERIAL: CORCHO EVENTOS

aceleración (m/s2)

TENSIÓN CINÉTICA (N)

TENSIÓN ESTÁTICO (N)

MASA 1 (Kg.)

ANGULO DE INCLINACIÓN

MASA 2 ACUMULATIVO (Kg.)

1

0.3

2.22

2.55

0.526

6°

0.255

2

0.4

2.38

2.74

0.526

6°

0.275

3

0.07

2.48

2.22

0.526

6°

0.295

4

0.09

2.38

3.07

0.526

6°

0.315

TABLA (3): DATOS DEL PLANO INCLINADO MATERIAL: PLÁSTICO EVENTOS

ACELERACIÓN (m/s2)

TENSIÓN CINÉTICA

TENSIÓN ESTÁTICO

MASA 2 (Kg.)

ANGULO DE INCLINACIÓN

MASA 2 ACUMULATIVO (Kg.)

1

0.9

1.24

1.55

0.531

6°

0.155

2

1

1.33

1.73

0.531

6°

0.175

3

1.5

1.42

1.93

0.531

6°

0.195

4

1.6

1.54

2.14

0.531

6°

0.215


Página 5

V.-CUESTIONARIO 1.-Con los resultados de la tabla (1,2 y 3) determine los coeficientes de rozamiento estático cinético, para cada elemento y material.

Mov.

T 1

f

1 

1 

T

Move

2

1 



2 

Para el cálculo del coeficiente de fricción se tomara en cuenta dicha figura y aplicando la segunda ley de Newton se obtiene los coeficientes de rozamiento en la siguiente tabla:

MATERIAL: CORCHO DATOS EN ABORATORIO

CALCULOS EN AULA

PARAMETROS MASA APLICADA (Kg.)

COEFICIENTE DE FRICCION ESTATICO

COEFICIENTE DE FRICCION CINETICO

EVALUACION

0.04

0.193

0.04

0.02

si

0.08

0.13

0.190

0.04

0.07

no

0.06

0.09

0.178

0.03

0.05

no

EVENTOS

FUERZA NORMAL (N)

FUERZA ESTATICA (N)

FUERZA DINAMICA (N)

1

1.89

0.08

2

1.86

3

1.75


Página 6

MATERIAL: PLASTICO DATOS ENLABORATORIO

CALCULOS EN AULA

PARAMETROS

MASA APLICADA (Kg.)



EVALUACION

0.01

0.190

0.06

0.01

si

0.09

0.02

0.194

0.05

0.01

si

0.02

0.02

0.193

0.01

0.01

si

EVENTOS

FUERZA NORMAL (N)

FUERZA ESTATICA (N)

FUERZA DINAMICA (N)

1

1.86

0.12

2

1.9

3

1.89

2.-Utilizando los datos de las tablas 4,5 y 6 determine el coeficiente de rozamiento cinético y estático para cada evento y resuma sus resultados.

DATOS EN LABORATORIO

CALCULOS EN AULA

MATERIAL: CORCHO TENSION ACELERACION EVENTOS CINETICA (m/s2) (N)

1 2 3 4

TENSION MASA 1 ESTATICO (Kg.) (N)

COEFICIENTE COEFICIENTE

ANGULO DE INCLINACION

MASA 2 DE FRICCION DE FRICCION ACUMULATIVO ESTATICO CINETICO (Kg.)

0.3

2.22

2.55

0.526

6°

0.255

-0.42

-0.36

0.4

2.38

2.74

0.526

6°

0.275

-0.47

-0.40

0.07

2.48

2.22

0.526

6°

0.295

-0.33

-0.39

0.09

2.38

3.07

0.526

6°

0.315

-0.50

-0.37

DATOS EN LABORATORIO

CALCULOS EN AULA

MATERIAL: PLASTICO

COEFICIENTE COEFICIENTE MASA 2 DE FRICCION DE FRICCION ACELERACION TENSION TENSION MASA ANGULO DE EVENTOS ACUMULATIVO ESTATICO CINETICO (m/s2) CINETICA ESTATICO 1 (Kg.) INCLINACION (Kg.)

1

0.9

1.24

1.55

0.531

6°

0.155

-0.29

-0.23

2

1

1.33

1.73

0.531

6°

0.175

-0.33

-0.25

3

1.5

1.42

1.93

0.531

6°

0.195

-0.42

-0.32

4

1.6

1.54

2.14

0.531

6°

0.215

-0.47

-0.36


Página 7



CORCHO

0.43

0.38

PLASTICO

0.38

0.29

MATERIAL

3.-Obtenga el promedio aritmético de los resultados de coeficiente de rozamiento encontrados en la anterior pregunta, para ello resuma sus respuestas empleando el siguiente modelo.


COEFICIENTE DE FRICCIONCINETICO

CORCHO

0.4

0.02

PLASTICO

0.04

0.01

MATERIAL

4.-Determine el error relativo porcentual del coeficiente de fricción para materiales similares, utilizando los resultados de las tablas (7), tabla (8) comparados con los del cuadro (1).

MATERIAL

COEFICIENTE DE COEFICIENTE DE FRICCION FRICCION ESTATICO CINETICO

ERROR RELATIVO PORCENTUAL % COEF. DE FRIC. ESTATIO %

COEF. DE FRIC. CINETICO %

CORCHO

0.43

0.38

7.5

26.7

PLASTICO

0.38

0.29

90

190


Página 8

5.- Calcule la tensióncinética y estática con los datos correspondientes para el esquema de la figura (2) para cada material.

MATERIAL: CORCHO DATOS EN LABORATORIO ACELERACION EVENTOS (m/s2)

1 2 3 4

MASA 1 (Kg.)

CALCULOS EN AULA

MASA 2 ANGULO DE ACUMULATIVO INCLINACION (Kg.)

COEFI. DE FRICCION ESTATICO

COEFI. DE FRICCION CINETICO

TENSION CINETICA (N)

TENSION ESTATICO (N)

0.3

0.526

6°

0.255

-0.42

-0.36

2.22

2.55

0.4

0.526

6°

0.275

-0.47

-0.40

2.38

2.74

0.07

0.526

6°

0.295

-0.33

-0.39

2.48

2.22

0.09

0.526

6°

0.315

-0.50

-0.37

2.38

3.07

-0.43

-0.38

2.37

2.65

PROMEDIO

MATERIAL: PLASTICO DATOS EN LABORATORIO

CALCULOS EN AULA

MASA 2 COEFICIENTE COEFICIENTE TENSION ACELERACION MASA ANGULO DE EVENTOS ACUMULATIVO DE FRICCION DE FRICCION CINETICA (m/s2) 1 (Kg.) INCLINACION (N) (Kg.) ESTATICO CINETICO

1 2 3 4


0.9

0.531

6°

0.155

-0.29

-0.23

1.24

1.50

1

0.531

6°

0.175

-0.33

-0.25

1.33

1.20

1.5

0.531

6°

0.195

-0.42

-0.32

1.42

1.13

1.6

0.531

6°

0.215

-0.47

-0.36

1.54

0.87

-0.38

-0.29

1.38

1.17

PROMEDIO


Página 9

6.-Determine el error relativo porcentual de las tenciones cinéticas y estáticas empleando los resultados teóricos de tensión de la pregunta 5 y los experimentales anotados en la tabla (2) y (3).

MATERIAL: CORCHO DATOS EN LABORATORIO

CALCULOS EN CLASE

ERROR RELATIVO PORCENTUAL (%)

EVENTOS







1

2.22

2.55

2.22

2.55

0.00

0.00

2

2.38

2.74

2.38

2.74

0.00

0.00

3

2.48

2.22

2.48

2.22

0.00

0.00

4

2.38

3.07

2.38

3.07

0.00

0.00

MATERIAL: PLASTICO DATOS EN LABORATORIO

CALCULOS EN CLASE

ERROR RELATIVO PORCENTUAL (%)

EVENTOS







1

1.24

1.55

1.24

1.50

0.00

3.55

2

1.33

1.73

1.33

1.20

0.00

44.29

3

1.42

1.93

1.42

1.13

0.00

70.27

4

1.54

2.14

1.54

0.87

0.00

147.23

7.-Cuál de las dos actividades realizadas, te parece más correcta, según los resultados de error hallados en las preguntas 4 y 6 anteriores? Según los errores relativos porcentuales y haciendo una comparación entre los dos ítems me parece más correcto la pregunta 6 porque en el material de corcho, haciendo una análisis se tiene un margen de error muy próximos a cero.


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8.-Según usted a que se debe la diferencia entre las tenciones cinéticas y estáticas determinadas de modo experimental y teóricamente?, Explique. Cuando se realiza de modo experimental pueden afectar muchos factores como son: el clima, temperatura y la forma de manipular los instrumentos, los equipos de data studio. Pero en cambio cuando se realiza el cálculo teóricamente esos factores mencionados no influyen ya que en la matemática no hay margen de error.

9.-¿Por qué el coeficiente de rozamiento cinético es menor igual que el coeficiente de rozamiento estático? Justifique microscópicamente analizando los parámetros que influyen. Si el bloque se mueve con velocidad constante (aceleración cero) la componente del peso a lo largo del plano inclinado es igual a la fuerza de rozamiento. mg seno seno =F r r Como el bloque se está moviendo la fuerza de rozamiento es igual al producto del coeficiente de rozamiento cinético por la fuerza normal. F r r=m = mk N 10.-¿a qué se denomina coeficiente de rozamiento en seco? Se define como fuerza de rozamiento rozamiento o o fuerza de fricción fricción,, a la fuerza entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento relativo entre ambas superficies de contacto (fuerza (fuerza de fricción dinámica) dinámica ) o a la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento (fuerza de fricción estática) estática )


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VI.-CONCLUSIONES



en la práctica se obtuvo los coeficientes de fricción estático y cinético de algunos materiales casi próximos a los que se encuentran en la teoría con errores porcentuales considerables en algunos casos se sobrepasaban de lo limitado. Por lo cual se considera los que están en los rangos de consideración. un laboratorio se debe tener mucho  Para realizar un experimento de física cuidado con el uso de los equipos puesto que alguno de ellos pueden ser sensibles y muy caros.  Al momento de realizar una práctica en laboratorio se debe tomar con mucha seriedad en la toma de datos.

VII.-BIBLIOGRAFIA 

. http://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n  http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/rozamiento/dinamico/dinamico .  https://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n


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Fuerza de Friccion

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