INSTIT INSTITUTO UTO POLI POLIT T CNICO CNICO NAC NACION IONAL AL CENTRO DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS “WALTER CROSS BUCHANAN”
ACADEMIA DE FÍSICA
LABORATORIO DE FÍSICA II
PRÁCTICA 2
FUERZA DE ROZAMIENTO
Calificación:
O FRICCIÓN
Alumno: __________________________________________ Grupo: ______ Fecha: _________ Profesor: ________________________________ Auxiliar: ______________________________
OBJETIVO Determinar el coeficiente de fricción estático entre las superficies en contacto de dos cuerpos cuando uno de ellos se desliza sobre el otro.
I.
MARCO TEÓRICO Cuando dos cuerpos interactúan por contacto directo de sus superficies, llamamos a las fuerzas de interacción, fuerzas de contacto. Las fuerzas normal y de fricción son de este tipo. La fuerza de fricción o rozamiento es aquella que se opone al movimiento relativo entre dos cuerpos, se origina por las irregularidades de las superficies en contacto además de la interacción de las moléculas de los dos cuerpos, algunas veces llamada cohesión o adhesión dependiendo de si los cuerpos son, o no, del mismo material. La fricción depende de varios factores, tales como: la naturaleza de las superficies, el estado en que se encuentren, su temperatura, de cuanto se opriman entre sí, entre otros factores. El sentido de la fuerza de fricción es contrario al del movimiento y/o al del movimiento inminente del objeto respecto a la superficie. De la vida diaria sabemos que cuando se intenta deslizar un objeto sobre una superficie, se requiere de una mayor fuerza para iniciar el movimiento, pero una vez que se ha iniciado, la fuerza para mantenerlo es menor. Lo anterior se explica por que existen dos tipos de fuerzas de fricción: la fuerza de fricción estática ( f s), que se presenta desde el momento en que se aplica una fuerza a un objeto para intentar deslizarlo sobre la superficie de un cuerpo, hasta el instante previo en que el objeto comienza a tener movimiento relativo (cuando alcanza su valor máximo). Mientras el objeto no se mueva la magnitud de f s es igual a la magnitud de la fuerza aplicada para deslizarlo. La fuerza de fricción cinética ( f k) se considera presente una vez que el objeto ha iniciado su deslizamiento sobre una superficie determinada. Experimentalmente se ha encontrado que f s es mayor a f k. En la figura 1 se muestra el sistema de fuerzas que actúa cuando un objeto se encuentra en reposo sobre una superficie.
FN
W Figura 1
En la figura 2 se presenta el sistema de fuerzas que actúa cuando al objeto, aún en reposo, se le aplica una fuerza para desplazarlo, pero como esa fuerza no es suficiente el objeto continúa en reposo. Note la presencia de la fuerza de fricción estática ( f s).
fs
FN
F
W Figura 2
En la figura 3 notamos el sistema de fuerzas que actúa cuando el objeto ha iniciado su movimiento (cambio de posición). Se destaca la presencia de la fuerza de fricción cinética (f k). movimiento
fk
FN
W Figura 3
F
Experimentalmente se ha determinado que: f k =
k FN
donde:
f s
es una constante adimensional llamada coeficiente de fricción cinética. FN es la magnitud de la fuerza normal ejercida por una superficie sobre la otra. k
sFN
donde:
f s =
(Magnitud de la fuerza de fricción cinética)
(Magnitud de la fuerza de fricción estática)
es una constante adimensional llamada coeficiente de fricción estática. FN es la magnitud de la fuerza normal ejercida por una superficie sobre la otra. s
sFN
(Magnitud máxima de la fuerza de fricción estática)
Esta condición se cumple únicamente cuando el objeto esta a punto de deslizarse, esta situación se le conoce como movimiento inminente. Las fuerzas de fricción (estática y cinética) son paralelas a las superficies de los cuerpos en contacto y de sentido contrario al del movimiento.
II. EQUIPO Y/O MATERIALES Descripción 1.2.-
Plano inclinado variable. Bloque de madera con diferentes superficies de rozamiento. 3.- Polea 4.- Portamasas 5.- Hilos 6.- Masa de 50 g 7.- Masa de 20 g 8.- Masa de 10 g 9.- Masa de 5 g 10.- Masa de 2.5 g 11.- Bloque de metal
Cantidad 1 3 1 1 4 5 5 5 5 5 1
III. DESARROLLO EXPERIMENTAL Experimento 1 1. Obtener el peso de cada uno de los bloques de madera proporcionados y registrarlos en la tabla 1. Recordar la diferencia que existe entre la masa y el peso de un objeto. 2. Obtener el peso del bloque metálico y registrarlo en la tabla 1.
3. Realizar el montaje de la figura 4:
FN
T
fs
T
W
Wp Figura 4
Utilizar inicialmente el bloque de madera con superficie de madera. 4. Elaborar los diagramas de cuerpo libre (D.C.L.) de los sistemas de fuerzas presentes en la figura anterior.
5. Colocar masas, poco a poco, en el soporte para aumentar gradualmente la tensión de la cuerda, registrar el peso en el portamasas justo antes de que el bloque comience a moverse. 6. Registrar la información (W p1) en la siguiente tabla:
Tabla 1 Superficies en contacto Madera – madera Madera – vidrio Madera – hule Aluminio – madera Aluminio – vidrio Aluminio – hule
W [N]
Wp1
Wp [N]
Wp2
Wp3
Wp
s
7. Regresar el bloque a su posición original y soltarlo nuevamente, confirmar que efectivamente el bloque vuelve a deslizarse. En caso de no ser así variar el peso de los portamasas. Repetir el proceso y registrar la información (Wp 2, Wp3). 8. Obtener y registrar: Wp (aceptada) = Wp (media aritmética)
máximo error relativo
9. Cambiar la superficie de desplazamiento de acuerdo a la tabla 1 y repetir los puntos: 5, 6,7 y 8. Completar la tabla. 10. Calcular y registrar, en la tabla 1, el coeficiente de fricción estática (
).
s
Experimento 2 1. Montar el dispositivo de la figura 5.
FN
fs
movimiento
W
tan
=
s
Figura 5
2. Incrementar la inclinación del plano hasta lograr que el bloque descienda libremente. Registrar la lectura del ángulo 1 justo antes de que esto suceda.
Tabla 2 Superficies en contacto Madera – madera Madera – vidrio Madera – hule Aluminio – madera Aluminio – vidrio Aluminio – hule
1
2
3
s
3. Regresar el bloque al extremo superior del plano inclinado y soltarlo. Confirmar que efectivamente el bloque vuelve a descender sin problemas. De no ser así cambie el ángulo de inclinación del plano. Repetir el proceso y registrar la información ( 2, 3). 4. Obtener y registrar:
(aceptado) = (media aritmética)
máximo error relativo
5. Cambiar la superficie de desplazamiento de acuerdo a la tabla 2 anterior y repetir los puntos: 11, 12 y 13. Completar la tabla. 6. Calcular y registrar, en la tabla 2, el coeficiente de fricción estática (
).
s
IV. CUESTIONARIO 1. En el experimento 1, ¿por qué no se desplaza el bloque cuando no se ha colocado ninguna masa en el portamasas?
2. ¿Cuándo se alcanza la máxima fuerza de fricción estática?
3. ¿Cuál es la relación entre el peso de un cuerpo y la magnitud de la fuerza máxima de fricción estática que requiere superar para desplazarlo sobre una superficie?
4. ¿Cuál es la relación entre el peso de un cuerpo y la magnitud de la fuerza de fricción cinética?
5. ¿El área de contacto de las superficies influye en la magnitud de la fuerza de fricción? ________ ¿Por qué?
6. ¿Cuál sería el procedimiento para obtener el coeficiente cinético de fricción el dispositivo de la figura 4?
k usando
7. ¿Cuál sería el procedimiento para obtener el coeficiente cinético de fricción el dispositivo de la figura 5?
k usando
8. Menciona 3 aplicaciones para la fuerza de fricción.
V. CONCLUSIONES
