FUERZAS DE FRICCION 1. OBJETIVOS:
Estudiar las características de los coeficientes de rozamiento dinámico y estático de diferentes materiales. Calcular el coeficiente de fricción estático y cinético paradeslizamiento en superficies arbitrarias (caso de la madera) Verificar la relación entre el coeficiente de fricción y la fuerza derozamiento derozamiento Realizar cálculos cinemáticas basándose en consideracionesdinámicas y mecánicas para los materiales materiales y accesorios accesorios empleados. empleados. 2. FUNDAMENTO TEORICO
Cada vez que empujamos o jalamos un cuerpo que descansa en unasuperficie perfectamente perfectamente horizontal con una fuerza, se logra impartir unacierta velocidad, este se detiene poco tiempo después de retirar la fuerza. Además hay ocasiones en que al empujar el objeto este ni siquiera adquiereuna velocidad y se mantiene en reposo. Esto se debe a que existe una fuerzaque se opone a que este continuara deslizándose. Esta fuerza se conocecomo la fuerza de fricción o de rozamiento. La magnitud de esta fuerzaopuesta al movimiento depende de muchos factores tales como la condicióny naturaleza de las superficies, la velocidad relativa, etc. Se verificaexperimentalmente que la fuerza de fricción f, tiene una magnitudproporcional a la fuerza normal N de presión de un cuerpo sobre otro. Laconstante de proporcionalidad es llamada coeficiente de fricción y lo designamos con la letra griega , la relación queda como: ƒ = - N ... (1)
El signo negativo se justifica debido a que esta fuerza se opone almovimiento de acuerdo a la f i g u r a (1). Si la fuerza F es la fuerza aplicada, loque mueve al móvil hacia la derecha será la fuerza resultante R dada por laecuación (2): R=F-
N ... (2)
Ahora, dado la relación entre la fuerza y la aceleración del móvil podemosreescribir podemosrees cribir la ecuación ecuación (3) como: como: ma = F – N ... (3)
Donde: m, masa del móvil. a, 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. 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 fricciónestática máxima está dada por:
ƒmax = sN ... (4)
Donde: s, coeficiente de fricción estático.
Y la fricción cinética: ƒk =
Donde
kN ... (5)
k , es coeficiente de fricción cinética.
En general:
s< k
Tabla (1): Coeficientes de fricción.
Superficie
Coeficiente de Fricción
Coeficiente de Fricción
estático
cinético
s
k
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
3. 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 (diferentes magnitudes) Carril, tope y polea más 1.6cm de hilo negro Balanza analógica.
4. PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES
Procedimiento 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 alo 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 tracción 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 (3). f) Realizar el montaje de equipos y accesorios, tal como se muestra en la figura (3). g) Genere un gráfico 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 gráficas generadas.
Primera Actividad (Determinación de los coeficientes de fricción).
a) Coloque el móvil a 15cm del sensor de movimiento.
b) En el portapesos coloque una masa determinada y pulse el botón de inicio, agregue masas con un avance de 10gr en cada caso. Cuando el conjunto móvil logre movimiento y llegue a la posición final (tope), pulse el botón detener.
EVENTOS masa Aceleración m/s Tensión N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
90 0.2
95 0.3
100 0.3
105 0.5
110 0.5
115 0.6
120 0.7
125 0.9
0.05
0.09
0.14
0.15
0.19
0.23
0.26
0.29
10 130 135 1 1.1
0.30
0.31
5. CUESTIONARIO a. ¿Según usted a que se debe la diferencia entre us y uk ?, explique
El rozamiento estático es el que existe cuando un cuerpo está en reposo, el coeficiente de rozamiento estático es el punto o la tangente del ángulo critico antes de que el cuerpo entre en movimiento, el cinético es el presente cuando el cuerpo está en movimiento. Siempre el estático es mayor al cinético, la razón es que se necesita menos fuerza para mantener el movimiento que producirlo. b. ¿Será necesario considerar la fricción del conjunto con el aire circundante?, si su respuesta es afirmativa, explique ¿Por qué?
Si porque el aire tiene una resistencia aerodinámica. c.
¿De qué depende el coeficiente de fricción estático?
La fuerza de fricción estática (Fs) es una fuerza negativa y mayor que la fuerza aplicada la cual no es suficiente para iniciar el movimiento de un cuerpo estacionario. Se genera debido a la rugosidad microscópica de las dos superficies, que interactúan y se entrelazan, y entre las cuales se generan enlaces iónicos y micro soldaduras formadas por la humedad y el oxigeno del aire. d. El coeficiente de fricción, ¿será el mismo cuando se aplique un lubricante en las superficies de contacto?
No será el mismo pues depende del tipo de lubricante que se utilice. Depende si el lubricante utilizado es un mineral sintético o vegetal. Tiene lugar cuando las superficies de fricción se mueven la una con respecto a la otra completamente separadas por un tercer elemento que por lo regular es un fluido e.
¿El coeficiente cinético varia con la velocidad?
No varía pues es constante. La fuerza de fricción cinética (Fk) es una fuerza negativa que se presenta cuando un cuerpo se mueve con respecto a otro, se opone al movimiento y es de magnitud constante.
f.
¿Afecta el peso del bloque a los coeficientes de fricción?
Si afecta porque a mayor peso habrá mayor resistencia del suelo, y por ende mas fricción. g. El coeficiente de fricción, ¿varía según la temperatura del cuerpo?
Si varía el coeficiente de fricción El incremento de temperatura influye de manera opuesta en líquidos y gases. En líquidos se hace menos viscoso y en los gases la viscosidad aumenta. h. La fuerza de fricción, ¿depende de las interacciones de las moléculas de las 2 superficies?
Si existe interacción entre las moléculas. i.
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?
j.
¿Qué es el coeficiente de viscosidad?, ¿tiene relación con el coeficiente de fricción?
La viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento. La viscosidad es la oposición de un fluido de las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, La relación esta en que la viscosidad es la friccion interna de los liquidos,
