Definición de rozamiento
Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento. En todos los sólidos, las moléculas presentan rozamiento interno. Esta forma de rozamiento es la fuerza que hace que cualquier objeto oscilante, como una cuerda de piano o un diapasón, deje de vibrar.
Rozamiento entre superficies de dos sólidos
En el rozamiento entre cuerpos sólidos se ha observado que son válidos de forma aproximada los siguientes hechos empíricos:
La fuerza de rozamiento tiene dirección paralela a la superficie de apoyo.
El coeficiente de rozamiento depende exclusivamente de la naturaleza de los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren sus superficies.
La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que actúa entre las superficies de contacto.
Para un mismo par de cuerpos (superficies de contacto), el rozamiento es mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando ya ha comenzado (estático Vs. cinético).
El rozamiento puede variar en una medida mucho menor debido a otros factores:
El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del área de las superficies de contacto.
El coeficiente de rozamiento cinetico es prácticamente independiente de la velocidad relativa entre los moviles.
La fuerza de rozamiento puede aumentar ligeramente si los cuerpos llevan mucho tiempo sin moverse uno respecto del otro ya que pueden sufrir atascamiento entre si.
¿Hacia donde apunta la fuerza de rozamiento?
Suponete que tiro un ladrillo por el piso. El ladrillo va avanzando y se va frenando. Al principio el objeto se mueve con una determinada velocidad, pero después de recorrer unos metros se frena y se queda quieto.
Pregunta: ¿ Por qué pasa esto ?
Respuesta: Por el rozamiento.
Entre el ladrillo y el piso hay rozamiento, y esta fuerza es la que hace que el ladrillo se frene.
Si no hubiera rozamiento el ladrillo se seguiría moviendo por los siglos de los siglos y no se pararía nunca.
Efectivamente, en la mayoría de los casos la fuerza de rozamiento apunta al revés de la velocidad y por lo tanto la fuerza de rozamiento intenta frenar al cuerpo, pero no siempre.
Tipos de rozamiento
Existen dos tipos de rozamiento o fricción, la fricción estática (FE) y la fricción dinámica (FD).
El primero es la resistencia que se debe superar para poner en movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto.
El segundo, es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al movimiento pero una vez que éste ya comenzó. En resumen, lo que diferencia a un roce con el otro, es que el estático actúa cuando los cuerpos están en reposo relativo en tanto que el dinámico lo hace cuando ya están en movimiento.
Fricción estática
Es la fuerza que se opone al inicio del movimiento. Sobre un cuerpo en reposo al que se aplica una fuerza horizontal F, intervienen cuatro fuerzas:
F: la fuerza aplicada.
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que se opone al movimiento.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la gravedad.
N: la fuerza normal, con la que la superficie reacciona sobre el cuerpo sosteniéndolo.
Dado que el cuerpo está en reposo la fuerza aplicada y la fuerza de rozamiento son iguales, y el peso del cuerpo y la normal:
Se sabe que el peso del cuerpo P es el producto de su masa por la aceleración de la gravedad (g), y que la fuerza de rozamiento es el coeficiente estático por la normal:
esto es:
La fuerza horizontal F máxima que se puede aplicar a un cuerpo en reposo es igual al coeficiente de rozamiento estático por su masa y por la aceleración de la gravedad.
Fricción dinámica
Dado un cuerpo en movimiento sobre una superficie horizontal, deben considerarse las siguientes fuerzas:
F: la fuerza aplicada.
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que se opone al movimiento.
Fi: fuerza de inercia, que se opone a la aceleración de cuerpo, y que es igual a la masa del cuerpo m por la aceleración que sufre a.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la gravedad.
N: la fuerza normal, que la superficie hace sobre el cuerpo sosteniéndolo.
Como equilibrio dinámico, se puede establecer que:
Sabiendo que:
Se puede reescribir la segunda ecuación de equilibrio dinámico como:
Es decir, la fuerza resultante F aplicada a un cuerpo es igual a la fuerza de rozamiento Fr mas la fuerza de inercia Fi que el cuerpo opone a ser acelerado. De lo que también se puede deducir:
Con lo que se tiene la aceleración a que sufre el cuerpo, al aplicarle una fuerza F mayor que la fuerza de rozamiento Fr con la superficie sobre la que se apoya.
Leyes de rozamiento
Estas leyes son experimentales. Puedes comprobarlas ahora mismo consiguiendo algún cuerpo que tenga forma tipo ladrillo. (3 caras planas con diferentes superficies). Podría ser una goma o algo así.
1.- La fuerza de rozamiento depende del material con el que estén hechas las superficies que están en contacto.
La fuerza de rozamiento siempre se opone al movimiento relativo de las superficies que están en contacto.
A una persona le resulta más fácil caminar sobre el piso de cemento que sobre un piso de hielo. Eso pasa porque el rozamiento goma-cemento es distinto que el rozamiento goma-hielo.
2.-El valor de la fuerza de rozamiento no depende del tamaño de la superficie que está apoyada.
Al arrastrar un ladrillo por el piso, la fuerza que tengo que hacer va a ser la misma, cualquiera sea la cara del ladrillo que esté apoyada.
3.- La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal que el plano ejerce sobre el cuerpo.
Esta es la ley que tenés que saber bien porque es la que se usa para resolver los ejercicios.