Ing. Luis Simancas Autor: Diego Andrés Torres M. | UNI$ERSIDAD AUT%NO&A DE! CARI'E FACU!TA FACU!TAD DE INGENIER( IN GENIER(A A DEPARTA&ENTO DE CIENCIAS ')SICAS !A'ORATORIO DE F(SICA 'ARRAN*UI!!A +,1-.,/ TA'!A DE CONTENIDO:
Fuerzas de rozamiento 2 O'6ETI$OS GENERA! = ESPECIFICOS000< /DESCRIPCION DE !A E>PERIENCIA0000003 - E*UIPOS = &ATERIA!000000000000004 7 TA'!A DE RESU!TADOS0000000000000000000001, < GRAFICOS0000000000000000000000000000011 3 C)!CU!OS00000000000000000000000000001+ 4 O'SER$ACIONES0000000000000000000000000012 1, CONC!USIONES00000000000000000000000001/ 11 RESPUESTAS ?O6A DE E$A!UACI%N00000000000000001-
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/ !ISTA DE TA'!AS - Tabla de resultados. - !ISTA DE FIGURAS 7 !ISTA DE ANE>OS - Solución de la página 42 y 43.
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1 RESU&EN as prácticas en los laboratorios son esenciales para nosotros en nuestro proceso de aprendi!a"e pues ya #ue debe$os tener una buena %or$ación para &acer bien nuestra labor de %uturos %or$adores y sobre todo de una ciencia tan a$plia e i$portante co$o lo es la %'sica. (or tanto en la siguiente e)periencia nos en%ocare$os en &allar y anali!as las *ariantes y relaciones #ue pode$os encontrar en las %uer!as de ro!a$iento+ as' co$o la consecución del *alor de la %uer!a y los coe%icientes de %ricción tanto estático co$o diná$ico+ los cuales serán e)plicados a %ondo a continuación y con la ayuda de la teor'a y el so%t,are de$ostrar e)peri$ental$ente co$o pode$os encontrar y ta$bién di%erenciar las di%erentes %or$as de ro!a$iento.
+ INTRODUCCI%N Tal *e! &ayas escuc&ado sobre %uer!a de ro!a$iento+ retardante o si$ple$ente %ricción+ ya #ue anterior$ente en la cine$ática se suele despreciar este %enó$eno para un $e"or análisis y co$prensión de los $o*i$ientos estudiados+ sin e$bargo su in%luencia es de gran i$portancia y aun#ue pare!ca algo $uy sencillo es uno de los ca$pos de di%'cil co$prensión en la %'sica. a #ue sus causas son *ariadas y no obedecen a una teor'a %'sica sencilla. (or ello+ a#u' nos li$itare$os a describir cualitati*a$ente los casos $ás %recuentes. l desli!a$iento de un cuerpo sobre la super%icie de otro se le lla$a %uer!a de %ricción o roce por desli!a$iento+ la causa principal radica en #ue las super%icies de los cuerpos en contacto no son co$pleta$ente lisas+ sino $ás o $enos ásperas. a %uer!a de ro!a$iento alcan!a su *alor $á)i$o en el $o$ento en #ue co$ience a $o*erse uno de los cuerpos. /uando aparece la %uer!a de ro!a$iento el reposo relati*o de un cuerpo se le lla$a %uer!a de %ricción estática+ y cuando la %uer!a de ro!a$iento act0a durante el desli!a$iento de un cuerpo se lla$a %uer!a de %ricción cinética.
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2 &ARCO TE%RICO Fuerza de rozamiento es toda Buerza ouesta a5 moimiento 5a ua5 se maniBiesta en 5a suerBiie de ontato de dos ueros siemre 9ue uno de e55os se muea o tienda a moerse so@re otro a causa de la e)istencia de esta %uer!a es la siguiente: las super%icies de los cuerpos+ incluso las de los aparente$ente lisos+ no son lisas1 presentan una serie de aspere!as #ue+ al apoyar un cuerpo sobre otro+ enca"an entre s'+ lo #ue obliga a la aplicación de una %uer!a adicional a la del $o*i$iento para conseguir *encer el ancla"e. (or lo tanto+ la %uer!a e%ecti*a #ue &ará #ue un ob"eto se $ue*a será: .e%ectuada.aplicada.ro!a$iento.
CoeBiiente de rozamiento: l ro!a$iento es independiente de la *elocidad y del *alor de la super%icie de los cuerpos en contacto. sta %uer!a depende de la naturale!a de los cuerpos en contacto y del grado de puli$ento de sus super%icies. s proporcional a la %uer!a #ue act0a sobre el $ó*il perpendicular$ente al plano de $o*i$iento. A ésta 0lti$a se la deno$ina Buerza norma5 N.
super%icies
(or lo tanto $ate$ática$ente escribi$os: Fr 56N+ donde 5 es un coe%iciente caracter'stico de las en contacto+ deno$inado coe%iciente de ro!a$iento.
CoeBiiente de rozamiento de un uero so@re otro es 5a re5ain 9ue eHiste entre 5a Buerza de rozamiento 5a 9ue atJa so@re e5 mi5 erendiu5armente a su 5ano de des5izamiento Rozamiento est8tio din8mio: /o$o todos sabe$os+ es $ás di%'cil 7&ay #ue &acer $ás %uer!a8 iniciar el $o*i$iento de un cuerpo sobre otro #ue para $antenerlo una *e! ya conseguido. sto nos indica #ue &e$os de distinguir dos coe%icientes de ro!a$iento distintos:
ro!a$iento estático+ #ue di%iculta la tendencia del cuerpo &acia el $o*i$iento.
ro!a$iento diná$ico+ #ue da origen a la %uer!a #ue se opone al $o*i$iento del cuerpo cuando éste ya se $ue*e.
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n general+ el coe%iciente de ro!a$iento estático es ligera$ente superior al diná$ico. a e)presión F K L M N indica+ en realidad+ el *alor $'ni$o de la %uer!a #ue &ay #ue e"ercer para lograr el $o*i$iento del cuerpo y+ por tanto+ el $ á)i$o *alor de la %uer!a de ro!a$iento. Si el *alor de la %uer!a aplicada es $enor #ue este $á)i$o el cuerpo no se $o*erá y el *alor del ro!a$iento se igualará a ella+ anulándola. s decir+ si cuando e$pu"a$os un ob"eto para arrastrarlo 7por e"e$plo8 e"erce$os %uer!a y *e$os #ue no se $ue*e+ incre$enta$os nuestra %uer!a y sigue sin $o*erse+ es por#ue el ob"eto reali!a contra nosotros la $is$a %uer!a y el siste$a se anula. /uando nuestra %uer!a supere 569 7donde 5 depende de la naturale!a de las super%icies y 9 $g para super%icies planas y NKmgos para super%icies inclinadas8 entonces el ob"eto se $o*erá.
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O'6ETI$OS GENERA!:
Anali!ar+ interpretar+ relacionar y conte)tuali!ar de $anera ob"eti*a los conceptos+ %or$ulas+ caracter'sticas y $odelos pertenecientes a las %uer!as de ro!a$iento+ %acilitándonos e)peri$ental$ente identi%icar este %enó$eno y di%erenciar sus di%erentes %or$as+ per$itiendo la co$probación de las teor'as estudiadas con anterioridad.
ESPEC(FICOS: Deter$inar si la %uer!a de ro!a$iento está en %unción de las super%icies en contacto. Deter$inar si la %uer!a de ro!a$iento está en %unción del área aparente de contacto. Deter$inar si la %uer!a de ro!a$iento está en %unción del peso del cuerpo en estudio. Deter$inar las %uer!as de ro!a$iento en un $o*i$iento de rodadura. Deter$inar los %actores #ue inter*ienen en la %uer!a de ro!a$iento.
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- FOR&U!AS = GR)FICAS FB K N H FB K uer!a de %ricción N K uer!a 9or$al al plano de $o*i$iento K 7$iu8 /oe%iciente de %ricción. l cual depende de los $ateriales en ro!a$iento.
/oe%icientes de %ricción estática y cinética de di%erentes $ateriales en encontanto.
rá%ica co$parati*a entre %ricción estática y diná$ica.
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7 &ONTA6E = REA!IACI%N ;ealice el $onta"e del e#uipo de acuerdo a la %igura #ue se le está ane)ando. Siga las indicaciones de su docente. n la siguiente e)periencia el ob"eti*o principal es deter$inar de #ué depende la %uer!a de ro!a$iento+ cuando dos cuerpos de ponen en contacto. 71 /olo#ue el sensor de %uer!a sobre el taco de $adera y 0nalos con cinta ad&esi*a+ de %or$a tal #ue no se deslice por el taco+ céntrelo. 7+ Sobre el carril %letc&er colo#ue la regla de $adera de #ue esta #uede bien ni*elada+ con el %in de #ue el taco de $adera se deslice sobre ella sin detenerse. 72 Ate un sedal al sensor de %uer!a y páselo a tra*és de la polea. n el otro e)tre$o del sedal colo#ue las pesas respecti*as para iniciar el $o*i$iento del taco de $adera. 7/ gra$os y luego *aya agregando pesas de ?> gra$os &asta cuando el taco co$ience a $o*erse y este co$ience a desli!arse a una *elocidad constante. @bser*e los *alores #ue *a registrando el progra$a. eri%i#ue cual es el *alor de la %uer!a de ro!a$iento #ue se necesita para iniciar el $o*i$iento as' co$o el *alor del coe%iciente de ro!a$iento est8tio y intio 7- /olo#ue a&ora el taco de $adera del lado $ás angosto+ a"ustando el sensor de %uer!a a una nue*a posición+ y repita el procedi$iento anterior. @bser*e el *alor de la %uer!a de ro!a$iento #ue registra el progra$a y co$párela con el *alor #ue obtu*o anterior$ente. Baga lo $is$o con el coe%iciente de ro!a$iento. 77 ;epita el 'te$ C.4+ pero a&ora colo#ue el taco de $adera con el lado de go$a &acia la regla y encina a"uste el sensor con cinta ad&esi*a. eri%i#ue los *alores de las %uer!as de ro!a$iento obtenidas y los coe%icientes de ro!a$ientos respecti*os. 7< n el siguiente e"ercicio lo *a$os a reali!ar sobre super%icies di%erentes. (ara ello se utili!ará una regla %orrada de papel y otra en un papel de li"a y se repiten los pasos del 'te$ C.4. A#u' se *a a obser*ar los di%erentes *alores de ro!a$iento #ue se obtienen en las di%erentes super%icies. 73 n este e"ercicio se *a a tener en cuenta el peso del taco de $adera incre$entado+ este con pesas de => gra$os+ para cada uno de los e"ercicios debe usted tener en cuenta el n0$ero de pesas necesarias para iniciar el $o*i$iento y #ue este se $antenga constante durante el recorrido sobre la super%icie de contacto. @bser*e el *alor de la %uer!a de ro!a$iento obtenida en cada uno de los casos as' co$o el coe%iciente de ro!a$iento.
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< E*UIPOS = &ATERIA!ES Tacos de $adera /arril %letc&er Sensor de %uer!a Morda!a (olea
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3 Preguntas ara a5arar onetos anterior a 5a eHerienia 1 QPor 9u uti5izan ruedas 5os oes (ri$era$ente por#ue al ser ruedas $ini$i!an la %uer!a de ro!a$iento #ue en este caso ser'a por rodadura+ el cual se caracteri!a por su ba"o 'ndice de ro!a$iento ya #ue esta no se desli!a sobre el ce$ento o con el $aterial en contacto+ sólo se apoya en un punto por un instante $uy corto+ $ini$i!ando as' los puntos de contacto+ pero ta$bién "uegan %actores i$portantes co$o la presión de los neu$áticos. + E5 ie5o es mu des5izante Q*u se de@e aer ara no atinar Agregando tac&es para un $ayor agarre o una super%icie $uc&o $ás rugosa para #ue au$ente la %ricción entre ellas+ ele$entos co$o li"as y super%icies si$ilares o &acer $arcas co$o la de las llantas a los !apatos+ los cuales proporcionan una $e"or ad&erencia a los autos en tie$pos de llu*ia.
2 Si usted tuiera 9ue aminar so@re un 5ago onge5ado Qdar"a asos 5argos o asos ortos EH5i9ue Si esta$os &ablando de %ricción yo los dar'a cortos. n paso corto i$plica $enos %uer!a de los pies sobre el suelo+ y con $enos %uer!a tendre$os $ás agarre. Si das un paso largo $ientras tienes un pie en el aire el otro debe aguantar $uc&o peso+ y ade$ás no lo &ace *ertical$ente por tanto es $as %ácil resbalar+ aun#ue no estoy seguro. / Qu85 es 5a diBerenia de 5a Briin entre s5idos 5a Briin entre 5"9uidos n este estado en el #ue pode$os encontrar $uc&os ele$entos ta$bién e)iste la %ricción+ por tanto se puede decir #ue en un %luido e)iste %ricción cuando un ob"eto aparta el %luido a tra*és del cual se $ue*e+ siendo la %ricción en el agua $uy signi%icati*a y un e"e$plo de %ricción con aire+ el cual ta$bién es lla$ado %ricción aerodiná$ica y #ue es to$ado $uy en cuenta la &ora de diseEar *e&'culos+ es en el uso del paraca'das.
- a5gunos ondutores 5e o5oan neum8tios eHtra anos a sus e"u5os on e5 ensamiento de 9ue esto roorionar"a maor Briin entre 5as 55antas 5a arretera Estar"a usted de auerdo on esta itesis EH5i9ue su resuesta 9o+ por#ue la %ricción no depende del área+ la 0nica intención y $uy 0til es #ue al ca$biar los neu$áticos obtengas $e"or distribución del peso sobre $ayor super%icie+ $ini$i!ando la presión y as' obtienes un $enor calenta$iento y desgaste en las llantas+ pero la %ricción sigue siendo la $is$a. el área real microscópica de contacto es mucho menor que el área macroscópica aparente de contacto; en un caso especial estas áreas pueden estar ácilmente en la relación de 1 a 104!
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Natura5eza de5 materia5 en ontato
Fase del Taco
Super%icie Madera
Super%icie (iso
Super%icie i"a
Madera
?+>=?
>+3=2H4?
>+=C
o$a
2+>=3
>+II=J33
>+4H4=4=
(eso TacoGM
Taco grande taco pe#ueEo a pesa
2 3+=> =+=>
Se puede obser*ar clara$ente en las tablas de resultados la dependencia #ue e)iste entre las propiedades del $aterial )rea de Contato en contacto y el peso de este+ los cuales per$iten a%ir$ar #ue cuando los $ateriales son $ás rugosos yGo $ás pesados se re#uiere una $ayor %uer!a para #ue se $ue*an a *elocidad constante+ a su *e! el área aparente de contacto Super%icie Super%icie Super%icie de la super%icie no incide en el *alor de %ricción ya #ue para Madera (iso di%erentes áreasi"a el *alor sigue siendo el $is$o por#ue este sólo relaciona peso y naturale!a de los $ateriales. •
Krea del Taco Madera ?2)CI2 c$L2 Madera ?2)33C c$L2
?+>=?
>+3=2H4?
>+=C
?+3J=
>+4?
>+=?
4 TA'!A DE RESU!TADO
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1,O'SER$ACIONES stu*ieron presentes $uc&os %actores #ue nos indu"eron a errores $'ni$os+ ya #ue al &alar el taco de $adera no $antu*i$os una *elocidad constante pero lo intenta$os+ sin e$bargo las repetiti*as to$as de los datos nos per$itieron sacar un pro$edio $ás preciso+ pero #ue sir*ieron para sacar conclusiones claras y concretas sobre esta e)periencia. a %uer!a de ro!a$iento se opone al $o*i$iento de un blo#ue #ue desli!a sobre un plano. a %uer!a de ro!a$iento es proporcional a la %uer!a nor$al #ue e"erce el plano sobre el blo#ue. a %uer!a de ro!a$iento no depende del área aparente de contacto. Basta las super%icies $ás pulidas tienen a ni*el $icroscópico pe#ueEas rugosidades. a %uer!a de ro!a$iento depende de la presión entre las dos super%icies en contacto o de las propiedades de los $ateriales en estudio. n $ateriales $ás pulidos se necesita $enor %uer!a para desli!arlos+ $ientras #ue los $ás rugosos re#uieren $ás traba"o. a %uer!a re#uerida para $o*er a un ob"eto es $ayor #ue la necesaria para $antenerlo después a una *elocidad constante+ por tanto pode$os decir #ue la %ricción estática es $ayor #ue la cinética. l coe%iciente de %ricción es unidi$ensional+ o sea no tiene una unidad de $edida+ está regida por un n0$ero. •
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11 CONC!USIONES n este laboratorio e)peri$enta$os #ue el coe%iciente de %ricción está dado por 5+ donde este puede ser cinético o estático+ en el cual para un plano &ori!ontal #ue %ue el #ue traba"a$os este pri$ero es $e"or #ue el segundo+ donde pudi$os notar #ue las *ariables #ue "uegan un papel i$portante en las %uer!as de ro!a$iento son la nor$al y la propiedades de las super%icies+ despreciando la relación del área aparente de contacto+ y el coe%iciente de ro!a$iento cinético de un cuerpo con la super%icie de un plano inclinado+ es igual a la tangente del ángulo con #ue el cuerpo se desli!a sin aceleración+ con *elocidad constante. l coe%iciente estático en un plano inclinado ta$bién depende de la tangente del ángulo. Tene$os #ue la %ricción ta$bién es lla$ada ro!a$iento+ ya #ue es un %enó$eno %'sico con el cual *i*i$os a diario+ $uc&as *eces no nos da$os cuenta. l te$a es de$asiado i$portante ya #ue está en $uc&os lugares+ a *eces las des*enta"as son $ayores+ pero cierta$ente la %ricción es $uy buena ya #ue pocas *eces nos da$os cuentas ya #ue al igual nos da *enta"as.
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1+RESPUESTAS ?O6A DE E$A!UACI%N 1 En 5os a5ores o@tenidos en 5a rimera rue@a ara 5a Buerza de rozamiento Q9u o@seras en e55os @bser*a$os co$o dis$inuye la %uer!a #ue &ay #ue e"ercer para $antener el blo#ue a *elocidad constante en la $edida en #ue ca$bia$os las super%icies de $ás rugosas a super%icies $ás pulidas+ obteniendo $ayores *alores cuando nuestro ob"eto de estudio eran las dos super%icies $ás rugosas+ en nuestro caso %ue la go$a contra la $adera donde obtu*i$os #ue re#ueri$os 2 9 de %uer!a para $o*erlo.
+ A5 tra@a;ar on diBerentes suerBiies en ontato Q9u o@seraste en 5os a5ores de 5as diBerentes Buerzas de rozamiento o@tenidas Se obser*a #ue la %uer!a de ro!a$iento ob*ia$ente guarda gran relación con las propiedades+ acabados y de$ás aspectos tenidos en cuenta al $o$ento de &acer el $aterial+ siendo los $ás rugosos los #ue re#uirieron $ás %uer!a para obtener *elocidad constante y los $ás pulidos necesitaron $enos.
2 A5 ariar e5 eso de5 @5o9ue Q9u o@seraste en 5os diBerentes a5ores de 5as Buerzas de rozamiento ue el peso in%luye ta$bién proporcional$ente a la %uer!a de ro!a$iento ya #ue este au$enta la presión entre las super%icies &aciendo $ayor contacto uno con otro con su área real de contacto.
Manual de laboratorio de %'sica $ecánica. 'sica para ciencias e ingenier'a *ol. ? de ;ay$ond A. Ser,ay y No&n O. Ne,ett+ Nr. 'sica conceptual (aul . Be,itt. 'sica < ;esnicP Q Balliday tt:seuess@e@Bisiadinamiarozamientogenera5rozamientot m
