Coeficiente de roce

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.

La fuerza normal

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.

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

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 F_k 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 F_k.

Podemos investigar la dependencia de F_k 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, F_k se duplica.

La fuerza de rozamiento por deslizamiento F_k es proporcional a la fuerza normal N.

F_k=m_k N

La constante de proporcionalidad m_k es un número sin dimensiones que se denomina coeficiente de rozamiento cinético o dinámico.-

El valor de m_k 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.

Fuerza de rozamiento estático

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 F_s.

F=F_s

La máxima fuerza de rozamiento corresponde al instante en el que el bloque está a punto de deslizar.

F_{s máx}=m_sN

La constante de proporcionalidad m_s 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.

Tablas de valores de los coeficientes

• Coeficientes de rozamiento por deslizamiento para diferentes materiales

Superficies en contacto	mk
Acero sobre acero	0.18
Acero sobre hielo (patines)	0.02-0.03
Acero sobre hierro	0.19
Hielo sobre hielo	0.028
Patines de madera sobre hielo y nieve	0.035
Goma (neumático) sobre terreno firme	0.4-0.6
Correa de cuero (seca) sobre metal	0.56
Bronce sobre bronce	0.2
Bronce sobre acero	0.18
Roble sobre roble en la dirección de la fibra	0.48

• Coeficientes de rozamiento estático y dinámico

Superficies en contacto	ms	mk
Cobre sobre acero	0.53	0.36
Acero sobre acero	0.74	0.57
Aluminio sobre acero	0.61	0.47
Caucho sobre concreto	1.0	0.8
Madera sobre madera	0.25-0.5	0.2
Madera encerada sobre nieve húmeda	0.14	0.1
Teflón sobre teflón	0.04	0.04
Articulaciones sinoviales en humanos	0.01	0.003

Rozamiento por deslizamiento

Ahora vamos a considerar la fricción o rozamiento entre dos superficies sólidas, las cuales se encuentran en contacto y una de ellas se mueve respecto de la otra.

Cuando dos superficies entran en contacto y una de ellas se pone en movimiento existe una fuerza que se opone a éste, dicha fuerza recibe el nombre de roce o fricción y es la causa de que se produzca calor cuando se frota una superficie contra otra.

Otra consecuencia del rozamiento es que se produce un desgaste. El mismo puede ser en ambas superficies o en una de ellas, depende de la dureza de los materiales en contacto. También aparece otro fenómeno, que es el ruido. Un automóvil  que frena bruscamente, produce un chirrido en sus ruedas.

Algunos ejemplos son:

* Las ruedas del auto al moverse sobre el pavimento.
* Cuando se frota una mano contra otra se produce una fricción que genera calor y calienta las manos.
* El agua de un río produce fricción sobre el lecho del río.
* Cuando se frotan dos objetos, como una piedra con un trozo de madera, se produce una fricción que genera calor.
* Un patinador de hielo puede avanzar muy rápido pues la fricción entre el hielo y las navajas de los patines es baja.
* Un objeto que entra del espacio exterior a la atmósfera terrestre, se incendia debido a la fricción que se produce entre ellos.
* Cuando se empuja una caja sobre una superficie áspera cuesta mucho trabajo moverla.
* Cuando el piso está mojado es más fácil resbalar, pues el agua disminuye la fricción del piso.

* Una soga que resbala en un trozo de madera puede quemarlo. 

Podrías tú buscar 4 ejemplos, distintos a los citados anteriormente, dibujarlos y explicarlos?. Manos a la obra.......... 

Analiza las siguientes imágenes y  encuentra porque aparece el ruido, el desgaste y el calor, cuando hay rozamiento.-

Experiencia práctica de la segunda ley

 Vamos a construir un dispositivo que permita verificar la proporcionalidad entre masa, fuerza y aceleración, según pudo establecer Newton, en su segunda ley, también conocido como principio de masa.

Deberá Ud. construir un dispositivo similar al del video, que nos permita cambiar la masa y la fuerza aplicadas, para observar que resultados se producen en la aceleración, al incrementar la masa o la fuerza

Dicho diseño deberá permitir observar los cambios en la aceleración producidos por un incremento de su masa, mientras se mantiene constante la fuerza aplicada. Lo mismo para el caso de incrementar la fuerza, manteniendo constante la masa del cuerpo. 

Cada prototipo debe ser individual y serán evaluados por el Profesor en la semana del 5 de Mayo al 9 del mismo mes.