Informe 3 Fuerza de Fricción

 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 le coeficiente de fricción y la fuerza de rozamiento.

 Realizar cálculos cinemáticos basándose en consideraciones dinámicas y mecánicas para los materiales y accesorios empleados.

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. Además ay 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 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 proporcionalidad es llamada coeficiente de fricción y lo designamos con la letra griega µ, la relación queda como: f = - µN …(1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO - PUNO

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 fuerza resultante R dada por la ecuación (2): R = F - µN …(2)

f=- µN

Figura (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: mα= F - µN …(3) Dónde: m, masa del móvil Α: aceleración del móvil debida a la dirección de la fuerza F. F: es la fuerza aplicada N: es el producto de la masa móvil y la aceleración gravitacional. Diferenciando la fuerza de fricción estática y la fuerza de fricción cinemática, 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 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:


ƒmax = µsN …(4) Dónde: µs, coeficiente de fricción estático. Y la fricción cinética:

ƒk = µk N …(5) Dónde: µk, es 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)

f

fmax=usN f=F

ZONA ESTATICA

ZONA CINETICA

fk =uk n

F Figura (2): relación entre la fuerza aplicada F y la fuerza de fricción f. En general: µk ≤µs

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


Coeficiente de Fricción Estático µs

Coeficiente de Fricción Cinético µk

0.4 0.1 0.15 0.01 0.4 0.2

0.2 0.03 0.7 0.01 0.3 0.1



Una computadora

 Sensor de movimiento (Cl-6742)



Software data Studio instalado

 Sensor de fuerza

 Cajón

de fricción (material plástico)



Interface Science Workshop 750


 Una masa accesoria de 0.25Kg  Balanza analógica.

 Juego

de pesas

 Carril, tope y polea más 1.60m de hielo negro


a) b) c)

d)

e) f) g) h)

Procedimiento para configuración de equipos y accesorios. Verificar la conexión e instalación de la interface. Ingresar al software Data Studio y seleccionar la actividad Crear experimento. Seleccionar sensor de movimiento y sensor de fuerza, de la lista de sensores, efectuar la conexión usando los cables de transmisión de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio. 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 500 gr y mínimo de 0 gr. Mida y anote la masa del cajón de fricción (Madera), la masa adicional, sensor de fuerza y masa total en la tabla (3). Realizar el montaje de equipos y accesorios, tal como se muestra en la figura (3). Genere un gráfico para dos de los parámetros medidos por el sensor movimiento y de fuerza (aceleración y fuerza). Aumente la precisión y coloque los encabezados correspondientes en las tablas y graficas generadas.


Primera actividad (Determinación de los coeficientes de fricción)  

  

Coloque el móvil a 10 cm de movimiento. En la porta peso coloque una masa determinada y pulse el botón inicio, agregue masas con un avance de 20gr en cada caso. Cuando el conjunto móvil logre movimiento y llegue a la posición final (tope), pulse el botón detener. De la gráfica generada por la calculadora verifique el valor µs y µk, tal como se ve en la figura (2) Repetir los paso de a) hasta c) 10 veces y anote sus resultados en la tabla (2). Calcule los errores absoluto, relativo y porcentual según los datos de la tabla (1).

Masa del cajón de fricción (Kg)

0.093 0.339 0.432

Masa adicional (Kg) Masa del sensor de fuerza (Kg) Total en (Kg) Normal (Kg)

Tabla (3): cálculo del coeficiente de fricción para cada valor de aceleración. Tabla (3): datos del montaje de equipos y accesorios Datos registrados de los eventos Aceleración (/ ) Tensión (N) Masa M1 (Kg) Masa M2 (Kg) µs µk

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0.7 0.42

0.1 0.27

1.4 0.13

1.4 0.33

1.9 0.01

2.2 0.14

2.5 0.37

2.7 0.42

3.1 0.1

0.105 0.125 0.145 0.165 0.185 0.205 0.225 0.245 0.265


1. ¿Según usted a que se debe la diferencia entre µs y µk?, explique.

La diferencia es que el coeficiente de fricción estática se utiliza cuando la pieza esta en reposo, y el coeficiente de fricción cinético cuando la pieza esta en movimiento. El tema es así, cuando esta quieta la fricción dinámica es más grande, entonces cuando uno pone una fuerza mayor a la de rozamiento estático empieza a moverse con una aceleración inicial, entonces desde el momento que empieza a moverse ya tienes que considerar el coeficiente de rozamiento cinético. 2. ¿será necesario considerar la fricción del conjunto con el aire circundante?, si su respuesta es afirmativa, explique el ¿por qué?

No, porque la fuerza de fricción sobre el bloque es casi nula por su pequeño tamaño 3. ¿De qué depende el coeficiente de fricción estático?

El coeficiente de fricción depende del acabado de las superficies, del material, de la temperatura y del ángulo. La resistencia a la fricción en el movimiento relativo de dos objetos sólidos suele ser proporcional a la fuerza que presiona juntas las superficies, así como la rugosidad de las superficies. 4. 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.

5. ¿El coeficiente cinético varia con la velocidad?

La fuerza de rozamiento cinético suele mostrar dependencias con la velocidad, (salvo para algún material raro tipo fluidos muy viscosos o fluidos no newtonianos) no suele variar con la velocidad. 6. ¿Afecta el peso del bloque a los coeficientes de fricción?

El coeficiente de fricción de un material es el mismo para ese material, sin importar el peso. Lo que 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 se notará que 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 7. El coeficiente de fricción, ¿varía según la temperatura de cuerpo?

i. En cuanto a las cargas pequeñas el coeficiente de fricción es autosuficiente a la fuerza normal. ii. La magnitud de la fuerza de fricción varia con la temperatura, con el coeficiente de fricción estática aumentando tres o cuatro órdenes de magnitud entre -1ºC y -25 ºC. iii. Para grandes cargas el coeficiente de fricción se reduce rápidamente en la medida que la carga se incrementa, en particular cerca del punto descongelamiento iv. Concluyendo la diferencia es que el coeficiente de fricción de cinética es bastante menor que el estático.


8. 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) y también depende de la fuerza lo que en las dos superficies están presionadas una con la otra, es decir depende de la fuerza de contacto o normal (N). 9. Si el móvil empleado (con superficie de madera) se coloca sobre un plano inclinado ¿Cuál debería ser al ángulo para el cual el cuerpo se quedaría inmóvil?

Si el móvil empleado se coloca sobre un plano inclinado el Angulo debería de ser 180 para que el cuerpo se quede inmóvil 10. ¿Qué es el coeficiente de viscosidad?, ¿tiene relación con el coeficiente de fricción?

La viscosidad o reologia es una propiedad de física característica de todos los fluidos, el cual emerge de las colisiones entre las partículas del fluido que se mueven a diferentes velocidades, provocando una resistencia a su movimiento. Y si tiene relación con el coeficiente fricción, por esta razón:


Informe 3 Fuerza de Fricción

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