Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Ingeniería en Comunicación y Electrónica Unidad Zacatenco Laboratorio de Física Clásica Coeficientes de Fricción “
Boleta:
”
Integrantes:
Firma:
..
2012300085
Alvarado Villegas Francisco Javier
______________
2012300443
Cobos Martínez Alicia
______________
2012301293
Martínez Ibarra Mónica Celeste
______________
2012301698
Pimentel Gutiérrez Eduardo
______________
Fecha de Realización: Martes Martes 10 de abril del 2012 Fecha de Entrega: Martes Martes 17 de abril del 2012 Grupo: 1CM1 1CM1
Equipo: 2 2
Profesora: Martínez Martínez Morales María Susana
1
Coeficientes de Fricción
“
”
Objetivo General: El alumno identificará claramente la diferencia entre fuerzas de fricción estática y una fuerza de fricción cinética, distinguiendo algunos de los factores que influyen en el valor de dicha fuerza, calculando además el coeficiente de fricción estática, cinética y por rodamiento para diferentes materiales.
Objetivo Particular: Aclarar lo que es fuerza de fricción estática y fuerza de fricción cinética, percibir los factores de estas y calculando las fuerzas previamente mencionadas con los diferentes tipos de materiales (madera, hule y aluminio).
2
Introducción Fricción Es una fuerza tangencial, paralela a las superficies que están en contacto. Existen dos tipos de fuerzas de fricción: estática y dinámica o de movimiento. Las fuerzas de fricción estática Es la relación que presenta un cuerpo en reposo oponiéndose a su deslizamiento sobre otra superficie. Las fuerzas de fricción dinámica Tienen un valor igual al que requiere aplicar para que un cuerpo se deslice a velocidad constante sobre otro.(2) La fuerzas de fricción estática es en cualquier situación un poco mayor de la fricción dinámica, ya que se requiere aplicar mas fuerza para lograr que un cuerpo inicie su movimiento que la necesaria para lo conserve después a velocidad constante. Un experimento sencillo para estudiar las características de la fricción consiste en colocar sobre una mesa horizontal un bloque de peso conocido, al cual se le ata un hilo, mismo que tiene en su otro extremo un dinamómetro. Se jala el dinamómetro poco a poco y se observa que la figura aplicada por la mano va aumentando hasta que llegue un momento en que si se incrementa un poco más, el bloque comienza a deslizarse sobre la superficie, por tanto observamos que la fuerza de fricción estática no es constante, sino que aumenta a medida que jalamos el cuerpo. La fuerza máxima estática se alcanza un instante antes de que el cuerpo inicie su deslizamiento. Si le colocamos al bloque una pesa encima, cuyo valor sea igual al peso del bloque, tendremos que al aumentar el paso se ejercerá sobre la mesa una mayor acción y como reacción, el valor de la normal (N) será igual al peso del bloque más el de la pesa. Si a hora jalamos nuevamente el sistema bloque – pesa se observa que el dinamómetro señala una fuerza máxima estática al doble que cuando se tenia al bloque solo, si se triplica el peso del bloque, la normal también se triplica y la fuerza máxima estática registrada en el dinamómetro señala el triple . Por lo anterior, podemos concluir que la fuerza máxima estática (Fme) es directamente proporcional a la fuerza normal (N) que tiende a mantener ambas superficies debido al peso donde: Fme N; al sustituir el símbolo que representa la proporcionalidad directa entre las dos fuerzas , por un signo de igual y una constante de proporcionalidad = dimensional . (3)
Por definición, el coeficiente de fricción estático es la reacción entre la fuerza máxima de fricción estática y la normal. Como se observa, es dimensional, o sea que carece de unidades ya que es el resultado de dividir dos fuerzas. Para estudiar ahora la fuerza de fricción dinámica (Fd) le quitamos las pesas al bloque a fin de registrar la fuerza que se necesitan para moverlo con velocidad 3
constante. Observaremos que las fuerzas de fricción dinámica actúan siempre en la misma dirección pero en sentido contrario al movimiento del bloque, es decir, en sentido contrario a la velocidad, provocando una aceleración negativa y consecuente un frenado. Una vez iniciado el movimiento la fuerza de fricción dinámica se mantiene constante, independientemente de que la velocidad sea grande o pequeña. si se aumenta el peso de bloque al doble y al triple se observa también que la fuerza de fricción dinámica se duplica o se triplica respectivamente, por tanto es directamente proporcional a la normal entre las superficies, por lo que puede escribiese:
Donde: = Fuerza de fricción dinámica en (N) N = Fuerza normal entre las superficies debido al peso en N Coeficiente de fricción dinámico, sin unidades al despejar
tenemos:
Por definición, el coeficiente de fricción dinámico es la relación entre las fuerzas de fricción dinamitica y la fuerza normal que tiende a mantener unidas dos superficies es dimensional.(1) La fuerza de fricción es prácticamente independiente de la superficie del deslizamiento, por tanto, obtendremos a aproximadamente los mismos valores de la fuerza de fricción para un cuerpo se desliza sobre una superficie plana, si es arrastrado por cualquiera de sus caras. Comparativamente la fuerza de fricción estadística siempre será ligeramente mayor que la fracción dinámica, ya que siempre se requiere una mayor fuerza para un cuerpo inicie su movimiento para conservar una velocidad constante.(1)
4
Desarrollo Experimental Material: Plano de madera, Varilla de montaje de 1m, Marco de pesas, Pinza de mesa, Rodillo, Dinamómetro 0 –10N, Platillo para pesas, Calibrador vernier, Nuez doble y Bloque con caras de madera, hule y aluminio.
Experimento 1. Lo que se realizo fue colocar el plano de madera en la mesa de trabajo para después colocar el bloque con caras de diferentes materiales que será sujeto del dinamómetro. Ya hecho esto, se tira de el horizontalmente tratando de que el bloque no se mueva, luego se revisa cuanto marca el dinamómetro. Se aumenta progresivamente la fuerza aplicada para el bloque y no se debe mover, a esto es la magnitud de la fuerza de fricción estática (f s). A continuación se realiza una tensión pero ahora será procurando que se mueva con velocidad uniforme. Y esta es la magnitud de la fuerza de fricción (f k). Al haber hecho todo el procedimiento cuatro veces, se registran los datos y el promedio de todos los datos en la TABLA 1. TABLA 1 f s (N) f k (N)
1
2
3
4
5
Promedio
1.3 0.8
1.2 0.7
1.3 0.9
1.6 0.7
1.4 0.8
1.3 0.7
Discusión: I.
Explique por qué al principio el bloque no se desplaza si se le está aplicando una fuerza.
Porque la finalidad de este experimento es detectar cuanta fuerza se necesita para calcular el peso del bloque y porque se esta aplicando una fricción en el material. II.
¿Cómo explica usted el hecho de que, al aplicársele al bloque una fuerza horizontal de magnitud f k éste se desplace con velocidad constante?
Pues porque al aplicar la fuerza cinética quiere decir que se realiza un movimiento como a diferencia de la estática que esta implica que no se mueva para nada. III.
¿Cómo resultó f s respecto f k?¿Qué explicación da usted a esto?
Que la fuerza estática se aplica muchísima más fuerza pues el objeto esta inmóvil y al aplicar fuerza cinética con mucha razón se mueve mas porque se esta jalando el bloque. 5
Conclusión: Las fuerzas de fricción que obran entre las superficies en reposo, una con respecto a otra se llaman fuerza estática. Las fuerzas que obran en las superficies en movimiento relativo se llaman fuerza
cinética. La fuerza de fricción estática resultó ser menos que la fuerza de fricción cinética.
Experimento 2.- Factores que afectan a la fuerza de fricción 2.1 Naturaleza de las superficies Se repite el experimento anterior, pero ahora el bloque estará sobre la base de hule y después la base de aluminio. En la TABLA 2 se tabulan los datos obtenidos. TABLA 2 i 1 2 3 4 Promedio
Madera – Hule
f Si (N) 1.9 1.7 1.6 1.8
f Ki (N) 1 1.1 1.2 1.1
Madera – Aluminio
f Si (N) 0.40 0.35 0.40 0.40
f Ki (N) 0.50 0.60 0.35 0.35
Conclusión: Observe las fuerzas de fricción entre las diversas superficies y con base en los resultados diga si incluye la naturaleza de los materiales en las fuerzas de fricción:
Concluimos que el aluminio tiene menos fricción porque tiene más movilidad a comparación del hules porque el hule hace demasiada fricción para moverse. 2.2 La fuerza normal N. Determinación de madera
μs
entre madera y
Se realiza el mismo procedimiento de los experimentos anteriores pero ahora al bloque se coloca en la parte superior el platillo y una pesa de 100g y se toma 5 lecturas que son las fuerzas de fricción estática (f s). Se repite el mismo procedimiento pero aumentando progresivamente de 100 en 100g de la normal y complete la TABLA 3 con el promedio de , la razón de f s/N. En cada caso se mide la magnitud de la fuerza normal con el dinamómetro.
6
TABLA 3 Masa Adicional (g) 100 200 300 400 500
f s (N)
⁄ 0.31 0.38 0.35 0.37 0.43
1
2
3
4
5
(N)
N (N)
2.1 2.5 2.6 2.8 3.9
1.9 2.3 2.7 2.9 4
2 2.3 2.3 3.3 4.1
2 2.1 2.5 3.0 3.8
1.9 2.4 2.8 3.1 4
1.9 2.3 2.5 3.0 3.9
5.04 6.02 7.00 7.98 8.96
Discusión: I.
¿Qué pasó con f s al aumentar N?
Que se aplica más fuerza para calcular el peso del bloque y las pesas, ya que entre mas cantidad de masa contengan las pesas el movimiento disminuye. II.
¿Cómo resultó esta variación? Auxíliese con una gráfica de f s vs. N.
Es muy notoria pues, entre más peso tenga el bloque mayor fuerza se pone. III.
¿Cuál es el valor más probable de
?
0.3 Conclusión: La fuerza de fricción es directamente proporcional a la fuerza normal a las superficies.
desviación.
La relación es una medida dentro de los límites de precisión del experimento, la cual es llamada
7
Experimento 3. Cálculo de
y
de los experimentos 1 y 2.1
A continuación se hace un resumen de los valores de f s y f k en la TABLA 4. TABLA 4
Superficies
f s (N)
f k (N)
N (N)
Madera – Madera
1.34
0.78
3.84
0.34
0.20
Madera – Aluminio
3.80
0.42
3.84
0.98
0.10
Madera – Hule
1.75
1.10
3.84
0.45
0.28
Se realiza la comparación de para madera – madera de la TABLA 4 con el valor más probable de obtenido en el experimento 2.2 observamos que el hule es el más difícil de calcular sus fuerzas ya que es el material que produce más fricción con la madera y el que produce menos fricción siempre será el aluminio ya que es un metal.
Conclusión: Se concluye que para cualquier trabajo que se trate de deslizar algo horizontalmente siempre será el metal ya que su base es mas lisa que las demás.
Experimento 4. Determinación de los coeficientes de fricción entre Madera – Madera por medio de un plano inclinado.
4.1 Determinación de
Se coloca el bloque (madera – madera) en el plano el cual debe contener un ángulo tratando de que el bloque tienda a resbalarse. Se fija el punto que se inclina para después anotarlo en la TABLA 5. El procedimiento se repite 4 veces más, procurando que el bloque este en diferentes posiciones y estos datos se anotan en la primera columna de la TABLA 5 y enseguida calcularemos el promedio del ángulo (Ф s).
8
TABLA 5
Фi2 (grados)2
i
Фsi (grados)
1
24
2
17
5.4
29.16
3
23
0.6
0.36
4
21
1.4
1.96
5
27
4.6
21.16
Фi (grados)
1.6
2.56
La desviación estándar del ángulo de rozamiento, en radianes.
Se expresa el resultado: donde
y
Su sustitución es:
Los resultados de esta ecuación varían un poco pues aquí se aplicó un ángulo de inclinación para que el bloque se moviera por si solo sin aplicar ninguna fuerza a comparación del experimento madera – madera. Conclusión: En relación al método empleado para determinar
se concluye: este método se
utiliza para ser más exacto al momento de tener un ángulo y esto es muy parecido al experimento anterior solo que aquí tiene menos fricción el bloque.
9
4.2 Determinación de
Lo que se hace en este experimento es dejar el plano en el ángulo máximo de los utilizados en la TABLA 5, y con ayuda del dinamómetro se jala el bloque hacia arriba, procurando darle un movimiento uniforme. Se registra el valor que marca el dinamómetro, el valor de y el peso del bloque W en la TABLA 6.
i
TABLA 6 W = 3.84 N Fi (N)
Fi (N)
1
3
2
2.9
0
0
3
3.1
0.2
0.04
4
2.8
0.1
0.01
5
3
0.1
0.01
0.1
Fi2 (N)2 0.01
√ ∑ √ √ √
La desviación estándar de la fuerza:
La desviación estándar del peso donde
del dinamómetro.
Por otro lado se tiene que: y
entonces el coeficiente de fricción dinámico entre las dos superficies es:
10
Conclusión: En relación al método empleado y al resultado obtenido se concluye: el bloque al irlo
moviendo de lugar aumenta la cantidad de fuerza pues entre más abajo este mayor peso tiene en esa inclinación.
Experimento 5. Coeficiente de fricción por rodadura. El plano se deja con el ángulo ocupado en el experimento anterior pero ahora con el hilo cáñamo se une el rodillo y el platillo de pesas. Se pasa el hilo a través de la garganta de la polea y se empieza a agregar las pesas necesarias para que el rodillo se mueva con velocidad constante al darle un mínimo impulso. Repetimos 4 veces más cuidando que el rodillo este en diferentes posiciones. TABLA 7
Fi (N)
W = 1.44 N
Fi2 (N)2
̅ [ ] ̅
por lo tanto el coeficiente de fricción por rodamiento, para este experimento es:
Conclusión: Relacionadas con el método empleado y el resultado obtenido se concluye que:
teniendo más peso el rodillo sube con más rapidez y el movimiento es constante.
11
Cuestionario 1. Diga, ¿Cómo influye el área de contacto en el valor de la fuerza de fricción estática?
Todo depende el material en el que se esté aplicando la fuerza, ya que los materiales tienen diferentes componentes. la fricción influye en el movimiento simplemente porque genera una fuerza que se opone a éste y por tanto actúa siempre como freno. 2. A medida que se alisan las superficies que interactúan en el rozamiento disminuye el coeficiente de fricción. Empíricamente se ha observado que se llega a un punto en el cual en lugar de disminuir la fricción con la lisura de las superficies, ésta aumenta. Explique el fenómeno.
Porque se produce un fuerza que atrae el dispositivo pues al empezarlo a tratar de mover este evita que de algún modo se mueva con facilidad y como en preguntas anteriores mencionadas también influyen los materiales que se estén manejando. 3. ¿A qué se debe que la fuerza necesaria para que el bloque se empiece a mover sea diferente al compararla con la fuerza necesaria para mantener el bloque con movimiento uniforme? Sugiera una hipótesis para explicar la diferencia.
Se debe a que cuando se trata de hacer que el bloque se empiece a mover se esta jalando el objeto, más cuando el objeto ya se esta moviendo ya no se aplica más fuerza porque este se aligera al ya no estar estático. 4. Menciones cuatro fuentes posibles de errores sistemáticos al determinar .
El instrumento, el que lee la medida, el ángulo en la que se esta viendo y la forma en que se mide esté.
() ()
5. Deduzca las expresiones para
considerando z = f(x,y)
y
a partir de la expresión general:
12
6. Mencione algunas ventajas y desventajas del rozamiento.
La ventaja es que ayuda a tener un freno al momento de aplicar una fuerza a un objeto si es que este se va a disparar su velocidad y desventaja cuando el objeto vaya muy lento y se necesita que vaya más rápido.
13
Bibliografía 1.
El mundo de la física 1 (nueva versión) Ana María cetto k. , Héctor A. Domínguez A Editorial trillas, edición 1990
2. Física tecnología De Héctor pares Montiel 3. Física 1 (bachillerato) Román Ávila Anaya Manuel Rodríguez López Miguel ángel García licona Editorial ST editorial edición 2005
14
Índice Hoja de presentación…………………………………………………………...
1
Titulo y objetivos de la practica…………………………………………….......
2
Introducción teórica……………………………………………………………..
3-4
Lista de material…………………………………………………………………
5
Desarrollo experimental………………………………………………………...
6-11
Conclusiones………………………………………………………………………
5,11
Cuestionario……………………………………………………………………….. 12-13
Bibliografía…………………………………………………………………………
14
15
