Vamos a profundizar el estudio del rozamiento por deslizamiento entre superficies sólidas
El rozamiento entre dos superficies en contacto ha sido aprovechado por nuestros antepasados más remotos para hacer fuego frotando maderas. En nuestra época, el rozamiento tiene una gran importancia económica, se estima que si se le prestase mayor atención se podría ahorrar muchísima energía y recursos económicos.
Históricamente, el estudio del rozamiento comienza con Leonardo da Vinci que dedujo las leyes que gobiernan el movimiento de un bloque rectangular que desliza sobre una superficie plana. Sin embargo, este estudio pasó desapercibido.
En el siglo XVII Guillaume Amontons, físico francés, redescubrió las leyes del rozamiento estudiando el deslizamiento seco de dos superficies planas. Las conclusiones de Amontons son esencialmente las que estudiamos actualmente en los libros de Física General:
- La fuerza de rozamiento se opone al movimiento de un bloque que desliza sobre un plano.
- La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque.
- La fuerza de rozamiento no depende del área aparente de contacto.
Recuerden la tercera ley de Newton, las fuerzas actúan por pares, si hay una acción aparecerá una reacción, de igual valor, pero de sentido contrario. En un plano horizontal, la fuerza normal, reacción del plano o fuerza que ejerce el plano sobre el bloque es igual al peso del bloque.
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Supongamos que un bloque de masa m está en reposo sobre una superficie horizontal, las únicas fuerzas que actúan sobre él son el peso mg y la fuerza normal N. De las condiciones de equilibrio se obtiene que la fuerza normal N es igual al peso mg
N=mg=P
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Fuerza de rozamiento por deslizamiento
En la figura, se muestra un bloque arrastrado por una fuerza F horizontal. Sobre el bloque actúan el peso mg, la fuerza normal N que es igual al peso, y la fuerza de rozamiento Fk entre el bloque y el plano sobre el cual desliza. Si el bloque desliza con velocidad constante la fuerza aplicada F será igual a la fuerza de rozamiento por deslizamiento Fk.
Podemos investigar la dependencia de Fk con la fuerza normal N. Veremos que si duplicamos la masa m del bloque que desliza colocando encima de éste otro igual, la fuerza normal N se duplica, la fuerza F con la que tiramos del bloque se duplica y por tanto, Fk se duplica.
La fuerza de rozamiento por deslizamiento Fk es proporcional a la fuerza normal N.
Fk=mk N
La constante de proporcionalidad mk es un número sin dimensiones que se denomina coeficiente de rozamiento cinético o dinámico.-
El valor de mk es casi independiente del valor de la velocidad para velocidades relativas pequeñas entre las superficies, y decrece lentamente cuando el valor de la velocidad aumenta.
También existe una fuerza de rozamiento entre dos objetos que no están en movimiento relativo.
Como vemos en la figura, la fuerza F aplicada sobre el bloque aumenta gradualmente, pero el bloque permanece en reposo. Como la aceleración es cero la fuerza aplicada es igual y opuesta a la fuerza de rozamiento Fs.
F=Fs
La máxima fuerza de rozamiento corresponde al instante en el que el bloque está a punto de deslizar.
Fs máx=msN
La constante de proporcionalidad ms se denomina coeficiente de rozamiento estático.
Los coeficientes estático y dinámico dependen de las condiciones de preparación y de la naturaleza de las dos superficies y son casi independientes del área de la superficie de contacto.
- Coeficientes de rozamiento por deslizamiento para diferentes materiales
Superficies en contacto
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mk
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Acero sobre acero
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0.18
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Acero sobre hielo (patines)
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0.02-0.03
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Acero sobre hierro
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0.19
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Hielo sobre hielo
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0.028
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Patines de madera sobre hielo y nieve
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0.035
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Goma (neumático) sobre terreno firme
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0.4-0.6
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Correa de cuero (seca) sobre metal
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0.56
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Bronce sobre bronce
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0.2
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Bronce sobre acero
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0.18
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Roble sobre roble en la dirección de la fibra
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0.48
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- Coeficientes de rozamiento estático y dinámico
Superficies en contacto
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ms
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mk
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Cobre sobre acero
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0.53
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0.36
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Acero sobre acero
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0.74
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0.57
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Aluminio sobre acero
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0.61
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0.47
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Caucho sobre concreto
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1.0
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0.8
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Madera sobre madera
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0.25-0.5
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0.2
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Madera encerada sobre nieve húmeda
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0.14
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0.1
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Teflón sobre teflón
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0.04
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0.04
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Articulaciones sinoviales en humanos
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0.01
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0.003
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