La fricción es uno de los conceptos más importantes en dinámica. ¿Qué sabes sobre él? Fuerza de fricción ¿Cuál es la característica principal de estas fuerzas?

La fuerza de fricción en condiciones terrestres acompaña cualquier movimiento de los cuerpos. Ocurre cuando dos cuerpos entran en contacto si estos cuerpos se mueven entre sí. La fuerza de fricción siempre se dirige a lo largo de la superficie de contacto, a diferencia de la fuerza elástica, que se dirige perpendicularmente (Fig. 1, Fig. 2).

Arroz. 1. Diferencia entre las direcciones de la fuerza de fricción y la fuerza elástica.

Arroz. 2. La superficie actúa sobre el bloque y el bloque actúa sobre la superficie.

Hay tipos de fricción seca y no seca. El tipo de fricción seca ocurre cuando los cuerpos sólidos entran en contacto.

Consideremos un bloque que se encuentra sobre una superficie horizontal (Fig. 3). Sobre él actúa la gravedad y la fuerza de reacción del suelo. Actuemos sobre el bloque con una pequeña fuerza. , dirigido a lo largo de la superficie. Si el bloque no se mueve, significa que la fuerza aplicada está equilibrada por otra fuerza, que se llama fuerza de fricción estática.

Arroz. 3. Fuerza de fricción estática

Fuerza de fricción en reposo () de dirección opuesta e igual en magnitud a la fuerza que tiende a mover un cuerpo paralelo a la superficie de su contacto con otro cuerpo.

A medida que aumenta la fuerza de “corte”, el bloque permanece en reposo, por lo tanto, la fuerza de fricción estática también aumenta. Con una fuerza suficientemente grande, el bloque comenzará a moverse. Esto significa que la fuerza de fricción estática no puede aumentar indefinidamente; existe un límite superior más allá del cual no puede aumentar. El valor de este límite es la fuerza de fricción estática máxima.

Apliquemos presión al bloque usando un dinamómetro.

Arroz. 4. Medición de la fuerza de fricción con un dinamómetro

Si el dinamómetro actúa sobre él con una fuerza, entonces se puede ver que la fuerza de fricción estática máxima aumenta al aumentar la masa del bloque, es decir, al aumentar la gravedad y la fuerza de reacción del soporte. Si se toman medidas precisas, mostrarán que la fuerza de fricción estática máxima es directamente proporcional a la fuerza de reacción del soporte:

¿Dónde está el módulo de la fuerza de fricción estática máxima? norte– fuerza de reacción del suelo (presión normal); – coeficiente de fricción estática (proporcionalidad). Por tanto, la fuerza de fricción estática máxima es directamente proporcional a la fuerza de presión normal.

Si realiza un experimento con un dinamómetro y un bloque de masa constante, mientras gira el bloque en diferentes lados (cambiando el área de contacto con la mesa), puede ver que la fuerza de fricción estática máxima no cambia (Fig. 5). En consecuencia, la fuerza de fricción estática máxima no depende del área de contacto.

Arroz. 5. El valor máximo de la fuerza de fricción estática no depende del área de contacto.

Estudios más precisos muestran que la fricción estática está completamente determinada por la fuerza aplicada al cuerpo y la fórmula.

La fuerza de fricción estática no siempre impide el movimiento de un cuerpo. Por ejemplo, la fuerza de fricción estática actúa sobre la suela de un zapato, impartiendo aceleración y permitiendo caminar sobre el suelo sin resbalar (Fig. 6).

Arroz. 6. La fuerza de fricción estática que actúa sobre la suela de un zapato.

Otro ejemplo: la fuerza de fricción estática que actúa sobre la rueda de un automóvil le permite comenzar a moverse sin resbalar (Fig. 7).

Arroz. 7. La fuerza de fricción estática que actúa sobre la rueda de un automóvil.

En las transmisiones por correa también actúa la fuerza de fricción estática (fig. 8).

Arroz. 8. La fuerza de fricción estática en las transmisiones por correa.

Si un cuerpo se mueve, entonces la fuerza de fricción que actúa sobre él desde la superficie no desaparece; este tipo de fricción se llama; fricción de deslizamiento. Las mediciones muestran que la fuerza de fricción por deslizamiento es casi igual en magnitud a la fuerza de fricción estática máxima (Fig. 9).

Arroz. 9. Fuerza de fricción deslizante

La fuerza de fricción por deslizamiento siempre está dirigida contra la velocidad de movimiento del cuerpo, es decir, impide el movimiento. En consecuencia, cuando un cuerpo se mueve sólo bajo la influencia de la fricción, le imparte una aceleración negativa, es decir, la velocidad del cuerpo disminuye constantemente.

La magnitud de la fuerza de fricción por deslizamiento también es proporcional a la fuerza de presión normal.

¿Dónde está el módulo de la fuerza de fricción por deslizamiento? norte– fuerza de reacción del suelo (presión normal); – coeficiente de fricción por deslizamiento (proporcionalidad).

La Figura 10 muestra una gráfica de la fuerza de fricción versus la fuerza aplicada. Muestra dos áreas diferentes. La primera sección, en la que la fuerza de fricción aumenta al aumentar la fuerza aplicada, corresponde a la fricción estática. La segunda sección, en la que la fuerza de fricción no depende de la fuerza externa, corresponde a la fricción por deslizamiento.

Arroz. 10. Gráfica de fuerza de fricción versus fuerza aplicada

El coeficiente de fricción por deslizamiento es aproximadamente igual al coeficiente de fricción estática. Normalmente, el coeficiente de fricción por deslizamiento es menor que la unidad. Esto significa que la fuerza de fricción por deslizamiento es menor que la fuerza de presión normal.

El coeficiente de fricción por deslizamiento es una característica de dos cuerpos que se frotan entre sí; depende de los materiales de los que están hechos y de qué tan bien estén procesadas las superficies (lisas o rugosas).

El origen de las fuerzas de fricción estáticas y deslizantes está determinado por el hecho de que cualquier superficie a nivel microscópico no es plana; siempre hay irregularidades microscópicas en cualquier superficie (Fig. 11).

Arroz. 11. Superficies de los cuerpos a nivel microscópico.

Cuando dos cuerpos en contacto intentan moverse entre sí, estas discontinuidades se enganchan e impiden este movimiento. Con una pequeña cantidad de fuerza aplicada, este acoplamiento es suficiente para evitar que los cuerpos se muevan, por lo que surge la fricción estática. Cuando la fuerza externa excede la fricción estática máxima, el acoplamiento de las rugosidades no es suficiente para sujetar los cuerpos y comienzan a moverse entre sí, mientras que la fuerza de fricción por deslizamiento actúa entre los cuerpos.

Este tipo de fricción se produce cuando los cuerpos ruedan unos sobre otros o cuando un cuerpo rueda sobre la superficie de otro. La fricción por rodadura, al igual que la fricción por deslizamiento, imparte una aceleración negativa a un cuerpo.

La aparición de fuerza de fricción por rodadura se debe a la deformación del cuerpo rodante y la superficie de soporte. Así, una rueda situada sobre una superficie horizontal deforma esta última. Cuando la rueda se mueve, las deformaciones no tienen tiempo de recuperarse, por lo que la rueda tiene que subir constantemente una pequeña colina, lo que provoca un momento de fuerza que ralentiza el rodamiento.

Arroz. 12. La aparición de la fuerza de fricción por rodadura.

La magnitud de la fuerza de fricción por rodadura es, por regla general, muchas veces menor que la fuerza de fricción por deslizamiento, en igualdad de condiciones. Debido a esto, rodar es un tipo de movimiento común en la tecnología.

Cuando un cuerpo sólido se mueve en un líquido o gas, una fuerza de resistencia actúa sobre él desde el medio. Esta fuerza se dirige contra la velocidad del cuerpo y ralentiza el movimiento (Fig. 13).

La característica principal de la fuerza de arrastre es que surge sólo en presencia de movimiento relativo del cuerpo y su entorno. Es decir, la fuerza de fricción estática no existe en líquidos y gases. Esto lleva al hecho de que una persona puede mover incluso una barcaza pesada sobre el agua.

Arroz. 13. Fuerza de resistencia que actúa sobre un cuerpo cuando se mueve en un líquido o gas.

El módulo de la fuerza de resistencia depende de:

Del tamaño del cuerpo y su forma geométrica (Fig. 14);

Condiciones de la superficie corporal (Fig. 15);

Propiedades del líquido o gas (Fig. 16);

Velocidad relativa del cuerpo y su entorno (Fig. 17).

Arroz. 14. Dependencia del módulo de fuerza de resistencia de la forma geométrica.

Arroz. 15. Dependencia del módulo de fuerza de resistencia del estado de la superficie del cuerpo.

Arroz. 16. Dependencia del módulo de fuerza de resistencia de las propiedades del líquido o gas.

Arroz. 17. Dependencia del módulo de fuerza de resistencia de la velocidad relativa del cuerpo y su entorno.

La Figura 18 muestra una gráfica de la fuerza de resistencia versus la velocidad del cuerpo. A una velocidad relativa igual a cero, la fuerza de arrastre no actúa sobre el cuerpo. A medida que aumenta la velocidad relativa, la fuerza de arrastre crece lentamente al principio y luego aumenta la tasa de crecimiento.

Arroz. 18. Gráfica de fuerza de resistencia versus velocidad corporal.

A velocidades relativas bajas, la fuerza de arrastre es directamente proporcional a la magnitud de esta velocidad:

¿Dónde está la velocidad relativa? – coeficiente de resistencia, que depende del tipo de medio viscoso, la forma y el tamaño del cuerpo.

Si la velocidad relativa es lo suficientemente grande, entonces la fuerza de arrastre se vuelve proporcional al cuadrado de esta velocidad.

¿Dónde está la velocidad relativa? – coeficiente de resistencia.

La elección de la fórmula para cada caso concreto se determina empíricamente.

Un cuerpo que pesa 600 g se mueve uniformemente a lo largo de una superficie horizontal (Fig. 19). Al mismo tiempo, se le aplica una fuerza cuya magnitud es 1,2 N. Determine el valor del coeficiente de fricción entre el cuerpo y la superficie.

Lecciones 7–8. Todo sobre la fuerza de fricción

Encontramos fricción a cada paso, pero sin fricción no daríamos un solo paso. Es imposible imaginar un mundo sin fuerzas de fricción. En ausencia de fricciones, muchos movimientos de corto plazo continuarían indefinidamente. La tierra temblaría por los continuos terremotos, porque... Las placas tectónicas chocarían constantemente entre sí. Todos los glaciares descenderían inmediatamente de las montañas y el polvo del viento del año pasado volaría sobre la superficie de la Tierra. ¡Qué bueno que todavía exista una fuerza de fricción en el mundo! Por otro lado, la fricción entre las piezas de la máquina provoca desgaste y costes adicionales. Según estimaciones aproximadas, la investigación en tribología, la ciencia de la fricción, podría ahorrar entre el 2 y el 10% del producto bruto nacional.

Ley clásica de fricción. Los dos inventos más importantes del hombre: la rueda y hacer fuego, están asociados con la fuerza de fricción. La invención de la rueda permitió reducir significativamente la fuerza que impide el movimiento, y la producción del fuego puso la fuerza de fricción al servicio del hombre. Sin embargo, los científicos aún están lejos de comprender completamente la base física de la fuerza de fricción. Y no porque hace tiempo que la gente ha dejado de interesarse por este fenómeno. La primera formulación de las leyes de la fricción pertenece al gran Leonardo (1519), quien argumentó que la fuerza de fricción que surge cuando un cuerpo entra en contacto con la superficie de otro cuerpo es proporcional a la fuerza de presión dirigida contra la dirección del movimiento y No depende del área de contacto. Esta ley fue redescubierta 180 años después por G. Amonton y luego perfeccionada en los trabajos de C. Coulomb (1781). Amonton y Coulomb introdujeron el concepto de coeficiente de fricción como la relación entre la fuerza de fricción y la carga, dándole el valor de una constante física que determina completamente la fuerza de fricción para cualquier par de materiales en contacto. Hasta ahora esta es la fórmula:

donde Ftr es la fuerza de fricción, N es la componente de la fuerza de presión normal a la superficie de contacto y es el coeficiente de fricción, que es la única fórmula que se puede encontrar en los libros de texto de física.

Durante dos siglos, nadie ha podido refutar la ley probada experimentalmente (1), y todavía suena igual que hace 200 años:

1. La fuerza de fricción es directamente proporcional a la componente normal de la fuerza que comprime las superficies de los cuerpos deslizantes y siempre actúa en dirección opuesta a la dirección del movimiento.

2. La fuerza de fricción no depende del tamaño de la superficie de contacto.

3. La fuerza de fricción no depende de la velocidad de deslizamiento.

4. La fuerza de fricción estática es siempre mayor que la fuerza de fricción deslizante.

5. La fuerza de fricción depende únicamente de las propiedades de los dos materiales que se deslizan uno contra el otro.

Nos frotamos las manos y comprobamos la ley básica de la fricción. La fuerza de fricción es una de las fuerzas disipativas. En otras palabras, todo el trabajo invertido en superarlo se convierte en calor. Los valores de m que figuran en los libros de referencia de ingeniería permiten evaluar este calentamiento en los instrumentos y dispositivos diseñados (ver tabla). Pues intentaremos encontrar la cantidad de energía térmica que se libera cuando, mientras calentamos, nos frotamos las manos o las usamos para calentar zonas enfriadas del cuerpo.

Aprietemos nuestras palmas con una fuerza de 0,5 N y la fricción piel con piel es 0,5. Entonces la fuerza de fricción que superamos al deslizar una palma sobre la superficie de la otra será igual a 0,25 N. Si suponemos que, mientras calentamos, hacemos cuatro movimientos de la palma en un segundo, y cada uno de ellos es de 0,1 m, entonces la potencia , gastada en superar la fuerza de fricción es 0,1 W. En 10 segundos de dicho calentamiento, se liberará 1 J de energía térmica en la zona de contacto de las palmas. Deje que todo el calor se caliente para calentar una sección de la superficie de la piel con un área de 0,01 m2 y un espesor de 0,001 m, que tiene una masa de aproximadamente 10 a 5 kg y una capacidad calorífica específica cercana a la capacidad calorífica de agua (4 kJ/(kg. °C). Esto significa que nuestra calefacción conducirá a un calentamiento de esta área en 25 ° C. Se puede ver que la estimación de calefacción fue claramente sobreestimada. La mayor parte del calor de la calefacción, por supuesto , entra en los tejidos situados debajo de la piel y se propaga por todo el cuerpo con el torrente sanguíneo, pero la parte restante de la energía térmica es suficiente para elevar la temperatura de la piel unos pocos grados.

Distancias de frenado. Dos coches chocaron en un cruce. El daño es menor porque Todos lograron frenar casi por completo antes del accidente. Por tanto, nadie quiere considerarse culpable. El inspector que llegó decidió que el culpable era el que tenía la mayor distancia de frenado: la marca negra de la rueda. ¿Por qué?

Supongamos que un automóvil ingresa a una intersección con una velocidad de , y su conductor, al ver otro automóvil, comenzó a frenar, dejando un rastro de longitud L en la carretera, si suponemos que en el momento de la colisión se ha agotado toda la energía cinética del automóvil. se convirtió en trabajo para superar la fuerza de fricción (en calor), luego donde m es la masa del automóvil y g es la aceleración de la gravedad. De ello se deduce que la distancia de frenado es proporcional al cuadrado de la velocidad del vehículo. Esto significa que quien se acerca a la intersección a mayor velocidad también tiene una distancia de frenado más larga. Así, por ejemplo, para = 0,7, una distancia de frenado de 30 m corresponde a una velocidad de 73 km/h, que es 13 km/h más que la velocidad permitida en la vía urbana.

¿Por qué todas las llantas son negras? Todos los fabricantes de neumáticos utilizan el mismo proceso: la vulcanización del caucho líquido, en el que uno de los aditivos es carbón en polvo. Como resultado, se unen largas moléculas de caucho líquido, lo que lo convierte en un material elástico y duradero. Dado que las partículas de carbón son negras y hay relativamente muchas (alrededor del 25% en peso), el caucho se vuelve negro. Cuanto más polvo de carbono, que se compone casi exclusivamente de carbono, se añada, más rígida, duradera y menos pegajosa será la goma.

¿Cómo pisar el acelerador y el freno para acelerar y frenar más rápido? Algunos conductores, al ver que el semáforo se ha puesto en verde, pisan el acelerador hasta el fondo, intentando alcanzar la velocidad máxima lo más rápido posible. Los testigos de tal comienzo escuchan el silbido de los neumáticos que patinan con respecto a la carretera. Desde fuera parece realmente impresionante. ¿Pero cómo realmente? ¿Es realmente necesario forzar el deslizamiento de las ruedas sobre la superficie de la carretera para que el automóvil obtenga la máxima aceleración? Por supuesto que no.

Se sabe que la fuerza motriz de un automóvil es la fuerza de fricción de sus ruedas sobre la superficie de la carretera. Si presiona bruscamente el pedal del acelerador, lo que hace que los neumáticos patinen con respecto al asfalto, entonces la aceleración máxima será proporcional a la fuerza de fricción de deslizamiento, que siempre es menor que la fuerza de fricción estática máxima. Por lo tanto, no son los que queman la goma de los neumáticos los que aceleran más rápido, sino los que utilizan la fuerza de fricción estática (es decir, no permiten el deslizamiento) en el rango en el que excede la fuerza de fricción por deslizamiento.

Las frenadas bruscas, así como las aceleraciones, pueden provocar que las ruedas patinen sobre la superficie de la carretera, lo que significa una disminución de la fuerza de frenado del coche. Después de todo, la fuerza de frenado es también la fuerza de fricción. Por tanto, pisando muy fuerte el pedal del acelerador y permitiendo patinar, aumentamos la distancia de frenado. Para minimizar la distancia de frenado, los automóviles modernos están equipados con un sistema ABS (sistema de frenos antibloqueo) que, evitando que las ruedas se deslicen sobre la superficie de la carretera, transforma una presión brusca del freno en una secuencia de varias frenadas. La eficacia del frenado ABS es especialmente alta en carreteras mojadas, cuando la fuerza de fricción estática máxima puede ser varias veces mayor que la fuerza de fricción por deslizamiento.

Dependencia de la fuerza de fricción que actúa sobre un cuerpo de la fuerza que puede provocar o provocar el movimiento del cuerpo en superficies de carreteras secas y mojadas.

¿Por qué necesita un patrón en los neumáticos de su automóvil? Si un automóvil cae en un charco y el agua no tiene tiempo de saltar por debajo de la rueda, se pierde tracción y la rueda puede girar alrededor de su eje sin experimentar fricción. En este caso, el coche pierde su fuerza motriz y se vuelve incontrolable. Es por eso que en los neumáticos de los automóviles hay ranuras que ayudan a que el agua salga de debajo de la rueda, lo que ayuda a que la goma de los neumáticos, incluso en los charcos, encuentre rápidamente contacto con la superficie de la carretera. En invierno, la mayoría de los conductores ponen neumáticos de invierno en sus coches. Si conduce con neumáticos de verano en invierno, las estrechas ranuras se obstruirán rápidamente con nieve y ésta, al convertirse en hielo, hará del automóvil un medio excelente para deslizarse incontrolablemente por la carretera. Por tanto, los neumáticos diseñados para circular por carreteras nevadas y heladas tienen surcos anchos y una superficie de contacto mucho mayor con la superficie de la carretera. Bueno, si tienes que conducir fuera de la carretera, entonces los neumáticos deberían tener ranuras profundas, porque... La suciedad con alta viscosidad simplemente no pasará por las ranuras cuando se mueve bajo el peso de la rueda motriz.

Neumáticos de coche diseñados para el verano (izquierda),
Carreteras de invierno (centro) y todoterreno (derecha)

Las carreras de Fórmula 1 son una guerra de neumáticos. Todo piloto de carreras quiere un buen agarre para garantizar una salida rápida. Pero esto significa que los neumáticos de su coche deben adherirse bien a la superficie de la carretera. Después de todo, sólo entonces la fuerza de fricción estática máxima será grande. Pero un neumático tan pegajoso siempre dejará un rastro de partículas en la carretera que se pegarán para siempre a la superficie de la carretera. En otras palabras, los neumáticos de alto agarre también se desgastan. Por tanto, en las carreras de Fórmula 1, la vida media de los neumáticos es de unos 200 km, mientras que para los neumáticos convencionales puede ser de varias decenas de miles de kilómetros.

Los neumáticos de los coches de Fórmula 1 son muy anchos y completamente “calvos”

Se sabe que las carreras de coches se llevan a cabo con neumáticos calvos o con varios surcos muy poco profundos. Las ranuras en los neumáticos de los coches de carreras no son necesarias porque... sólo aumentan la tracción cuando la carretera está mojada. Y si la carretera está mojada, las carreras se cancelan.

Se utiliza caucho pegajoso especial para producir neumáticos de carreras. Por lo tanto, la fuerza de fricción de estos neumáticos en una carretera seca aumenta al aumentar el área de contacto, lo que entra en conflicto con la ley clásica que es válida para la fricción de superficies duras e inelásticas. Para garantizar la máxima fuerza de fricción, los neumáticos de los coches de carreras se fabrican muy anchos (hasta 0,38 m), lo que también permite una mejor disipación del calor generado por la fricción contra la superficie de la carretera.

Los neumáticos limpios se adhieren mejor a la carretera que los sucios. Por eso, justo antes de la salida, los neumáticos se calientan a 80°C mediante dispositivos y procedimientos especiales, limpiando su superficie y asegurando una buena adherencia a la superficie de la carretera. Por cierto, los neumáticos de los coches de carreras a veces se inflan con nitrógeno, porque... La humedad contenida en el aire normal se evapora cuando los neumáticos se calientan y aumenta la presión en las ruedas, lo que crea dificultades adicionales en la conducción.

¿De qué cantan las ruedas? El ruido que producen las ruedas de los coches es uno de los principales problemas de las grandes ciudades. Anualmente se gastan enormes cantidades de dinero en combatir este ruido, porque... El coste de un kilómetro de barrera fonoabsorbente instalada a lo largo de la carretera se acerca al millón de dólares. Existen varias teorías sobre el origen de este ruido. En uno de ellos se cree que se produce por vibraciones de las zonas deformadas de la parte exterior del neumático después de enderezarse. Otro asocia la aparición de ruido con la goma que se sale de la carretera. Pues bien, la hipótesis más romántica explica el ruido diciendo que la causa de todo es el aire que se mueve por las ranuras de los neumáticos de los coches, como por los tubos de un órgano, y por tanto canta.

Los clásicos no siempre tienen razón. Ya en el siglo XIX. Quedó claro que la ley de Amonton-Coulomb no proporciona una descripción correcta de la fuerza de fricción y que los coeficientes de fricción no son de ninguna manera características universales. En primer lugar, se observó que los coeficientes de fricción dependen no sólo de los materiales que están en contacto, sino también de la suavidad con la que se procesan las superficies de contacto. Resultó, por ejemplo, que la fuerza de fricción en el vacío es siempre mayor que en condiciones normales.

Como señala en sus conferencias el Premio Nobel de Física (1965), R. Feynman, “...las tablas que enumeran los coeficientes de fricción “acero sobre acero, cobre sobre cobre”, etc., son todas una completa estafa, porque descuidan estas pequeñas cosas, pero son ellas las que determinan el significado. Fricción “cobre sobre cobre”, etc. – en realidad se trata de fricción “contra los contaminantes adheridos al cobre”.

Por supuesto, se puede tomar un camino diferente y, estudiando la fricción del “cobre sobre cobre”, medir las fuerzas durante el movimiento de superficies perfectamente pulidas y desgasificadas en el vacío. Pero entonces dos de esas piezas de cobre simplemente se pegarán y el coeficiente de fricción estática comenzará a aumentar con el tiempo transcurrido desde el inicio del contacto de las superficies. Por las mismas razones, el coeficiente de fricción por deslizamiento dependerá de la velocidad (aumenta a medida que disminuye). Esto significa que también es imposible determinar con precisión la fuerza de fricción en metales puros.

Sin embargo, para superficies estándar secas la ley clásica de fricción es casi exacta, aunque el motivo de este tipo de ley no estaba claro hasta hace muy poco. Después de todo, nadie ha podido estimar teóricamente el coeficiente de fricción entre dos superficies.

¿Cómo se frotan los átomos entre sí? – preguntamos a los científicos. La dificultad para estudiar la fricción radica en el hecho de que el lugar donde ocurre este proceso está oculto al investigador por todos lados. A pesar de esto, los científicos han llegado a la conclusión de que la fuerza de fricción se debe al hecho de que a nivel microscópico (es decir, si se mira a través de un microscopio) las superficies de contacto son muy rugosas, incluso si están pulidas. Por lo tanto, el deslizamiento de dos superficies una sobre otra puede parecerse a un caso fantástico en el que las montañas invertidas del Cáucaso rozan, por ejemplo, el Himalaya.

Anteriormente se pensaba que el mecanismo de fricción era simple: la superficie estaba cubierta de irregularidades y la fricción era el resultado de sucesivos ciclos de “ascenso-descenso” de las piezas deslizantes. Pero esto es incorrecto, porque entonces no habría pérdida de energía, pero la fricción consume energía. Por tanto, el siguiente modelo de fricción puede considerarse más correcto. A medida que las superficies de fricción se deslizan, las microrrugosidades se tocan entre sí y, en los puntos de contacto, los átomos opuestos se entrelazan. Con un mayor movimiento relativo de los cuerpos, estos acoplamientos se rompen y surgen vibraciones atómicas, similares a las que ocurren cuando se suelta un resorte estirado. Con el tiempo, estas vibraciones se extinguen y su energía se convierte en calor y se extiende por ambos cuerpos. En el caso del deslizamiento de cuerpos blandos, también es posible la destrucción de microirregularidades, el llamado "arado", en este caso se gasta energía mecánica en la destrucción de los enlaces atómicos;

Así, si queremos estudiar la fricción, debemos conseguir mover un grano de arena, formado por varios átomos, a lo largo de una superficie a una distancia muy pequeña de ella, midiendo las fuerzas que actúan sobre este grano de arena desde la superficie. Esto fue posible gracias a la invención del microscopio de fuerza atómica (AFM) por G. Binning y G. Rohrer, galardonados con el Premio Nobel de Física en 1986. La creación de un microscopio de este tipo, capaz de sentir las fuerzas de atracción y repulsión entre átomos individuales, hizo posible finalmente "sentir" qué son las fuerzas de fricción, abriendo un nuevo campo en la ciencia de la fricción: la nanotribología.

La base del AFM es una microsonda, generalmente hecha de silicio y que representa una delgada placa en voladizo (se llama cantilever, del inglés cantilever - consola, viga). Al final del voladizo (longitud 500 µm, ancho 50 µm, espesor 1 µm) hay una punta muy afilada (altura 10 µm, radio de curvatura 1-10 nm), que termina en un grupo de uno o más átomos. Cuando la microsonda se mueve a lo largo de la superficie de la muestra, la punta de la punta sube y baja, delineando el microrrelieve de la superficie, como una aguja deslizándose a lo largo de un disco. En el extremo que sobresale del voladizo (encima de la punta) se encuentra una zona de espejo sobre la que incide y se refleja el rayo láser. Cuando la punta se mueve hacia arriba y hacia abajo sobre superficies irregulares, el haz reflejado se desvía y un fotodetector registra esta desviación. Los datos del fotodetector se utilizan en un sistema de retroalimentación que puede proporcionar una distancia constante de la punta desde la superficie de la muestra o una fuerza constante de presión de la punta sobre la muestra.

En el primer caso, un transductor piezoeléctrico puede registrar el movimiento de un voladizo que salta de un átomo de la superficie en estudio a otro, construyendo así un relieve volumétrico de la superficie de la muestra en tiempo real. La resolución de estos microscopios es de aproximadamente 0,1 a 1 nm en horizontal y 0,01 nm en vertical. Moviendo la sonda horizontalmente se pueden obtener una serie de relieves y utilizar un ordenador para construir una imagen tridimensional.

Utilizando AFM desde principios de los años 1990. Se están llevando a cabo estudios sistemáticos de la fuerza de fricción de las microsondas cuando se deslizan a lo largo de diversas superficies y la dependencia de estas fuerzas de la fuerza de presión. Resultó que para las sondas de silicio de uso común, la fuerza de fricción por deslizamiento microscópica es aproximadamente del 60 al 80% de la fuerza de presión, que no supera los 10 nN. Como era de esperar, la fuerza de fricción por deslizamiento aumenta con el tamaño de la microsonda, porque aumenta el número de átomos que lo atraen simultáneamente. Por tanto, la fuerza de fricción por deslizamiento de la microsonda depende del área de su contacto con la superficie, lo que contradice la ley clásica de fricción. También resultó que la fuerza de fricción por deslizamiento no se vuelve cero en ausencia de una fuerza que presione la microsonda contra la superficie. Sí, esto es comprensible, porque... Los átomos de la superficie que rodean la microsonda están tan cerca de ella que la atraen incluso en ausencia de una fuerza de compresión externa. Por lo tanto, el supuesto principal de la ley clásica, sobre la dependencia proporcional directa de la fuerza de fricción con respecto a la fuerza de compresión, tampoco se observa en nanotribología.

Sin embargo, todas estas discrepancias entre la ley básica y los datos de nanotribología obtenidos mediante AFM pueden eliminarse fácilmente. Con un aumento en la fuerza que presiona el cuerpo deslizante, aumenta el número de microcontactos y, por lo tanto, aumenta la fuerza total de fricción por deslizamiento. Por tanto, no existen contradicciones entre los datos recién obtenidos y la antigua ley.

Dependencia de la fuerza de fricción por deslizamiento de la microsonda de la fuerza externa N que la presiona contra la superficie de grafito. El radio de curvatura de la sonda es de 17 nm (arriba) y 58 nm (abajo). En N pequeño la dependencia no es lineal y en N grande se aproxima a lineal (línea de puntos). Datos tomados del artículo de H. Holscher y A. Schwartz (2002)

Durante mucho tiempo, se aceptó generalmente que al obligar a un cuerpo a deslizarse sobre otro, rompimos las pequeñas faltas de homogeneidad de un cuerpo, que se adhieren a las faltas de homogeneidad de la superficie del otro, y para romper estas faltas de homogeneidad, se necesita fuerza de fricción. es necesario. Por lo tanto, las ideas antiguas a menudo asocian la aparición de fricción con daños en las microprotuberancias de las superficies de fricción, su llamado desgaste. Los estudios nanotribológicos que utilizan AFM y otras técnicas modernas han demostrado que pueden existir fuerzas de fricción entre superficies incluso cuando no están dañadas. La razón de esta fuerza de fricción son las uniones adhesivas que surgen y se rompen constantemente entre los átomos que se frotan.

¿Por qué el hielo es resbaladizo? Recién ahora los científicos han podido descubrir por qué es posible deslizarse sobre el hielo. Todo empezó hace mucho tiempo, en 1849. Los hermanos James y William Thomson (este último recibió más tarde el título de Lord Kelvin por sus grandes servicios) propusieron una hipótesis según la cual el hielo que tenemos debajo se derrite porque lo presionamos. . Y por tanto ya no nos deslizamos sobre el hielo, sino sobre la película de agua que se forma en su superficie.

De hecho, si aumenta la presión, el punto de fusión del hielo disminuirá. Por eso sucede esto. Se sabe que la densidad del hielo es menor que la densidad del agua y, por tanto, cuando se comprime el hielo, éste, “intentando” reducir la deformación provocada por el aumento de presión, “baja” el punto de fusión. Ésta es una de las manifestaciones del llamado principio de Le Chatelier: una influencia externa que saca a un sistema del equilibrio termodinámico provoca procesos en él que tienden a debilitar los resultados de esta influencia. Los cálculos y experimentos han demostrado que para reducir la temperatura de fusión del hielo en un grado, es necesario aumentar la presión a 121 atm (1,22 MPa). Intentemos calcular qué presión ejerce un atleta sobre el hielo cuando se desliza sobre un patín de 20 cm de largo y 0,3 cm de espesor. Si asumimos que la masa del atleta es de 75 kg, entonces su presión sobre el hielo será de aproximadamente 12 atm. . Así, mientras patinamos, difícilmente podemos reducir la temperatura de fusión del hielo en más de 1 °C. Esto significa que es imposible explicar el deslizamiento sobre hielo con patines, y especialmente con zapatos normales, según el principio de Le Chatelier, si afuera de la ventana, por ejemplo, hace -10 ° C.

En 1939, cuando quedó claro que la resbaladiza del hielo no podía explicarse reduciendo la temperatura de fusión, F. Bowden y T. Hughes sugirieron que el calor necesario para derretir el hielo debajo de la cresta lo proporcionaba la fuerza de fricción. Sin embargo, esta teoría no podía explicar por qué era tan difícil incluso estar de pie sobre el hielo sin moverse. Desde principios de los años cincuenta. Los científicos comenzaron a creer que el hielo es resbaladizo debido a una fina película de agua que se forma en su superficie por razones desconocidas. Sólo a finales de los años 1990. Los estudios sobre cómo el hielo dispersa los rayos X han demostrado que su superficie no es una estructura cristalina ordenada, sino más bien líquida.

Los científicos explicaron esto por el hecho de que las moléculas de agua ubicadas en la superficie del hielo se encuentran en condiciones especiales. Las fuerzas que los obligan a estar en los nodos de la red hexagonal actúan sobre ellos solo desde abajo. Por lo tanto, es fácil para las moléculas de la superficie "evadir los consejos" de las moléculas ubicadas en la red, y si esto sucede, varias capas superficiales de moléculas de agua toman la misma decisión a la vez. Como resultado, se forma una película de líquido en la superficie del hielo, que sirve como un buen lubricante al deslizarse.

Por cierto, las finas películas de líquido se forman no solo en la superficie del hielo, sino también en muchos otros cristales. El espesor de la película líquida aumenta al aumentar la temperatura, porque La mayor energía térmica de las moléculas arranca más capas superficiales de las redes hexagonales. La presencia de impurezas (moléculas distintas del agua) también impide que las capas superficiales formen redes cristalinas. Por lo tanto, es posible aumentar el espesor de la película líquida disolviendo en ella algunas impurezas, por ejemplo, sal común. Esto es lo que utilizan los servicios públicos cuando se ocupan del hielo en carreteras y aceras en invierno.

Representación esquemática de una sección transversal de hielo. La disposición aleatoria de las moléculas de agua en la superficie corresponde a una película líquida, y la estructura hexagonal en el espesor corresponde al hielo cristalino. Los círculos grises son átomos de oxígeno, los círculos blancos son átomos de hidrógeno.

La fricción por rodadura es algo completamente diferente. En el caso ideal, cuando una rueda hecha de un material incompresible rueda por inercia sobre una superficie lisa e indeformable, no actúan fuerzas de fricción sobre esta rueda. La rueda, al tocar la superficie en un punto, gira alrededor de este punto, luego otro punto se convierte en el punto de contacto y el centro de rotación, etc. Dado que el punto de contacto no se mueve con respecto a la superficie, no hay fuerza de fricción por deslizamiento.

Sin embargo, en condiciones reales, la superficie de la carretera y el material del que está hecha la rueda no son absolutamente rígidos. Consideremos primero el primer caso. Si coloca la rueda sobre una superficie blanda, presiona desde arriba con una fuerza P e intenta moverla hacia adelante con una velocidad v girándola, entonces encontraremos una fuerza de resistencia a la rodadura Fк. La rueda deforma la superficie debajo de ella, de modo que aparece un bache delante, que hay que superar todo el tiempo. La componente horizontal de las fuerzas de reacción de este tubérculo representa la fuerza de fricción de rodadura Fк. Las componentes verticales de las fuerzas de resistencia del tubérculo se compensan con la gravedad del vehículo. Dado que la altura del tubérculo es proporcional al peso de la rueda (o del automóvil montado sobre ella), la fuerza de fricción de rodadura Fк también es proporcional al peso del automóvil y a la fuerza de reacción de la carretera N: Fк = kN.

Rodadura de una rueda incompresible de radio R sobre una superficie incompresible. K – punto de contacto y centro instantáneo de rotación de la rueda con velocidad angular, cuyo resultado es el movimiento del centro de la rueda O con velocidad

Cuando una rueda blanda rueda sobre una carretera dura, las ruedas “chocan” constantemente con la parte delantera de la superficie en contacto con la carretera. Por tanto, se comprime más que la trasera, y la fuerza de reacción de la parte delantera de la rueda, en dirección opuesta al movimiento, también es mayor. La fuerza de fricción de rodadura es igual a la diferencia entre las componentes horizontales de las fuerzas de reacción de las partes delantera y trasera de la rueda. Dado que la compresión de la rueda es proporcional al peso del automóvil (o la fuerza de reacción del soporte), entonces Fк = kN.

La aparición de fuerza de fricción cuando una rueda dura rueda sobre una carretera blanda.

Las fuerzas de fricción de rodadura están determinadas por la rigidez de la rueda y los materiales de la superficie de la carretera. Cuanto mayor es la rigidez, menor es la fricción de rodadura. Por lo tanto, para reducir los costos de combustible, es necesario inflar las ruedas del automóvil tanto como sea posible, haciéndolas más rígidas. Basta tocar las ruedas del camión para convencerse de ello. Un automóvil de pasajeros tiene mucha menos presión en los neumáticos porque... Con ruedas duras, los pasajeros sentirán todos los baches del camino. Como resultado, sus neumáticos se deforman más y la fuerza de fricción de rodadura aumenta en consecuencia.

La aparición de fuerza de fricción cuando una rueda blanda rueda sobre un camino duro. Cuando una rueda blanda rueda, la deformación de sus secciones delanteras es mayor, lo que provoca la aparición de una componente horizontal de la fuerza que actúa desde la carretera y una fuerza que frena el movimiento: la fuerza de fricción de rodadura.

La fuerza necesaria para superar la fricción de rodadura es proporcional al peso del vehículo y, en general, no depende de su velocidad. Para medir esta fuerza, coloque el automóvil en una carretera nivelada, coloque la palanca de cambio en punto muerto (desconecte las ruedas del motor) y apague el encendido. Después de esto, ate un cable al automóvil y colóquele una balanza. Aplicando fuerza al cable, intenta mover el coche y tirar de él uniformemente. Al mismo tiempo, su asistente debe mirar las lecturas de la báscula y anotarlas. Si no tiene una báscula de resorte, puede usar una báscula doméstica para pesar a la persona. Puedes empujar el coche con estos pesos, utilizándolos como espaciador. La fuerza de fricción de rodadura para un automóvil que pesa 1000 kg es en promedio de unos 100 N.

Para el transporte a largas distancias se construyeron ferrocarriles, en los que una rueda de hierro rueda sobre un carril de hierro con un coeficiente de fricción de rodadura muy bajo. Los trenes ralentizan, pero su funcionamiento es muy rentable.

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Recuerda qué es la fricción.
¿A qué factores se debe?
¿Por qué cambia la velocidad de movimiento del bloque sobre la mesa después de un empujón?

Otro tipo de fuerza que se aborda en mecánica son las fuerzas de fricción. Estas fuerzas actúan a lo largo de las superficies de los cuerpos cuando están en contacto directo.

Las fuerzas de fricción impiden en todos los casos el movimiento relativo de los cuerpos en contacto. En determinadas condiciones, las fuerzas de fricción hacen imposible este movimiento. Sin embargo, no sólo ralentizan el movimiento de los cuerpos. En una serie de casos prácticamente importantes, el movimiento de un cuerpo no podría ocurrir sin la acción de fuerzas de fricción.

La fricción que ocurre durante el movimiento relativo de las superficies en contacto de cuerpos sólidos se llama fricción seca.

Hay tres tipos de fricción seca: fricción estática, fricción por deslizamiento y fricción por rodadura.

Fricción en reposo.

Intente mover con el dedo un libro grueso que está sobre la mesa. Le aplicas algo de fuerza, dirigida a lo largo de la superficie de la mesa, y el libro permanece en reposo. En consecuencia, surge una fuerza entre el libro y la superficie de la mesa, dirigida opuesta a la fuerza con la que actúas sobre el libro, y exactamente igual a ella en magnitud. Esta es la fuerza de fricción tr. Empujas el libro con más fuerza, pero aún permanece en su lugar. Esto significa que la fuerza de fricción tr aumenta en la misma cantidad.

La fuerza de fricción que actúa entre dos cuerpos estacionarios entre sí se llama fuerza. fricción estática.

Si sobre un cuerpo actúa una fuerza paralela a la superficie en la que se encuentra, y el cuerpo permanece inmóvil, esto significa que actúa sobre él una fuerza de fricción estática tr, de igual magnitud y dirigida en dirección opuesta a la fuerza (figura 3.22). En consecuencia, la fuerza de fricción estática está determinada por la fuerza que actúa sobre ella:

Si la fuerza que actúa sobre un cuerpo en reposo excede aunque sea ligeramente la fuerza máxima de fricción estática, entonces el cuerpo comenzará a deslizarse.

El mayor valor de la fuerza de fricción, en el que aún no se produce deslizamiento, se llama fuerza de fricción estática máxima.

Para determinar la fuerza de fricción estática máxima, existe una ley cuantitativa muy simple, pero no muy precisa. Deje que haya un bloque sobre la mesa con un dinamómetro adjunto. Realicemos el primer experimento. Tiremos del anillo del dinamómetro y determinemos la fuerza de fricción estática máxima. Sobre el bloque actúan la fuerza de gravedad m, la fuerza de reacción normal del soporte 1, la fuerza de tensión 1, los resortes del dinamómetro y la fuerza de fricción estática máxima tr1 (figura 3.23).

Coloquemos otro bloque similar en el bloque. La fuerza de presión de las barras sobre la mesa aumentará 2 veces. Según la tercera ley de Newton, la fuerza de reacción normal del soporte 2 también aumentará 2 veces. Si volvemos a medir la fuerza de fricción estática máxima, veremos que ha aumentado tantas veces como ha aumentado la fuerza 2, es decir, 2 veces.

Continuando aumentando el número de barras y midiendo cada vez la fuerza máxima de fricción estática, estaremos convencidos de que

>el valor máximo del módulo de la fuerza de fricción estática es proporcional al módulo de la fuerza de reacción normal del soporte.

Si denotamos el módulo de la fuerza de fricción estática máxima por F tr. max, entonces podemos escribir:

F tr. máx = μN (3.11)

donde μ es un coeficiente de proporcionalidad llamado coeficiente de fricción. El coeficiente de fricción caracteriza ambas superficies de fricción y depende no solo del material de estas superficies, sino también de la calidad de su procesamiento. El coeficiente de fricción se determina experimentalmente.

Esta dependencia fue establecida por primera vez por el físico francés C. Coulomb.

Si coloca el bloque en la cara más pequeña, entonces F tr. max no cambiará.

La fuerza de fricción estática máxima no depende del área de contacto entre los cuerpos.

La fuerza de fricción estática varía desde cero hasta un valor máximo igual a μN. ¿Qué puede causar un cambio en la fuerza de fricción?

El punto aquí es este. Cuando se aplica una determinada fuerza a un cuerpo, este se desplaza ligeramente (imperceptiblemente a la vista), y este desplazamiento continúa hasta que las rugosidades microscópicas de las superficies se posicionan entre sí de tal manera que, enganchándose unas a otras, se conducir a la aparición de una fuerza que equilibra la fuerza. A medida que aumenta la fuerza, el cuerpo volverá a moverse ligeramente, de modo que las irregularidades más pequeñas de la superficie se pegarán entre sí de manera diferente y la fuerza de fricción aumentará.

Y sólo en > F tr. máx., no importa la posición relativa de las rugosidades de la superficie, la fuerza de fricción no puede equilibrar la fuerza y ​​comenzará el deslizamiento.

La dependencia del módulo de fuerza de fricción por deslizamiento del módulo de fuerza actuante se muestra en la Figura 3.24.

Al caminar y correr, las plantas de los pies están sujetas a fricción estática a menos que los pies resbalen. La misma fuerza actúa sobre las ruedas motrices del automóvil. Las ruedas motrices también se ven afectadas por una fuerza de fricción estática, pero esta vez frenando el movimiento, y esta fuerza es significativamente menor que la fuerza que actúa sobre las ruedas motrices (de lo contrario, el automóvil no podría moverse).

Durante mucho tiempo se dudó de que una locomotora de vapor pudiera circular sobre raíles lisos. Pensaron que la fricción que frenaba las ruedas motrices sería igual a la fuerza de fricción que actúa sobre las ruedas motrices. Incluso se propuso hacer que las ruedas motrices estuvieran engranadas y colocar rieles dentados especiales para ellas.

Fricción de deslizamiento.

Al deslizarse, la fuerza de fricción depende no sólo del estado de las superficies de fricción, sino también de la velocidad relativa de los cuerpos, y esta dependencia de la velocidad es bastante compleja. La experiencia muestra que a menudo (aunque no siempre) al comienzo del deslizamiento, cuando la velocidad relativa aún es baja, la fuerza de fricción llega a ser algo menor que la fuerza de fricción estática máxima. Sólo entonces, a medida que aumenta la velocidad, crece y comienza a exceder F tr. máx.

Probablemente hayas notado que un objeto pesado, como una caja, es difícil de mover, pero luego moverlo se vuelve más fácil. Esto se explica precisamente por la disminución de la fuerza de fricción cuando el deslizamiento se produce a baja velocidad (ver figura 3.24).

A velocidades de movimiento relativas no demasiado altas, la fuerza de fricción por deslizamiento difiere poco de la fuerza de fricción estática máxima. Por tanto, se puede considerar aproximadamente constante e igual a la fuerza de fricción estática máxima:

F tr ≈ F tr. máx = µN.

La fuerza de fricción por deslizamiento se puede reducir muchas veces utilizando un lubricante, generalmente una capa delgada de líquido (generalmente algún tipo de aceite mineral), entre las superficies de fricción.

Ni una sola máquina moderna, como el motor de un automóvil o un tractor, puede funcionar sin lubricación. En el diseño de todas las máquinas se prevé un sistema de lubricación especial.

La fricción entre capas de líquido adyacentes a superficies sólidas es mucho menor que entre superficies secas.

Fricción por rodadura.

La fuerza de fricción por rodadura es significativamente menor que la fuerza de fricción por deslizamiento, por lo que es mucho más fácil hacer rodar un objeto pesado que moverlo.

La fuerza de fricción depende de la velocidad relativa de los cuerpos. Ésta es su principal diferencia con las fuerzas de gravedad y elasticidad, que dependen únicamente de las distancias.

Fuerzas de resistencia durante el movimiento de cuerpos sólidos en líquidos y gases.

Cuando un cuerpo sólido se mueve en un líquido o gas, la fuerza de arrastre del medio actúa sobre él. Esta fuerza se dirige contra la velocidad del cuerpo en relación con el medio y ralentiza el movimiento.

La característica principal de la fuerza de arrastre es que aparece sólo en presencia de movimiento relativo del cuerpo y el medio ambiente.
La fuerza de fricción estática en líquidos y gases está completamente ausente.

Esto lleva al hecho de que con el esfuerzo de las manos se puede mover un cuerpo pesado, por ejemplo, un barco flotante, mientras que mover, digamos, un tren con las manos es simplemente imposible.

El módulo de la fuerza de resistencia F c depende del tamaño, la forma y el estado de la superficie del cuerpo, las propiedades del medio (líquido o gas) en el que se mueve el cuerpo y, finalmente, de la velocidad relativa de movimiento de El cuerpo y el medio.

La naturaleza aproximada de la dependencia del módulo de la fuerza de resistencia del módulo de velocidad relativa del cuerpo se muestra en la Figura 3.25. A una velocidad relativa igual a cero, la fuerza de arrastre no actúa sobre el cuerpo (F c = 0). A medida que aumenta la velocidad relativa, la fuerza de arrastre crece lentamente al principio y luego cada vez más rápido. A bajas velocidades de movimiento, la fuerza de resistencia puede considerarse directamente proporcional a la velocidad de movimiento del cuerpo con respecto al medio:

F c = k 1 υ, (3.12)

donde k 1 es el coeficiente de resistencia, dependiendo de la forma, el tamaño, el estado de la superficie del cuerpo y las propiedades del medio: su viscosidad. No es posible calcular teóricamente el coeficiente k 1 para cuerpos de forma compleja; se determina experimentalmente;

A altas velocidades de movimiento relativo, la fuerza de arrastre es proporcional al cuadrado de la velocidad:

F c = k 2 υ 2 , υ, (3.13)

donde k 2 es el coeficiente de resistencia diferente de k 1 .

Cuál de las fórmulas (3 12) o (3.13) se puede utilizar en un caso particular se determina experimentalmente. Por ejemplo, para un turismo, es aconsejable utilizar la primera fórmula a aproximadamente 60-80 km/h; a velocidades más altas, se debe utilizar la segunda fórmula.

Hay muchos fenómenos físicos en el mundo que nos rodea: truenos y relámpagos, lluvia y granizo, corriente eléctrica, fricción... Nuestro informe de hoy está dedicado a la fricción. ¿Por qué ocurre la fricción, a qué afecta, de qué depende la fuerza de fricción? Y finalmente, ¿la fricción es amiga o enemiga?

¿Qué es la fuerza de fricción?

Habiendo subido un poco, puedes correr por el camino helado. Pero intenta hacerlo sobre asfalto normal. Sin embargo, no vale la pena intentarlo. Nada saldrá bien. El culpable de su fracaso será una fuerza de fricción muy grande. Por la misma razón, resulta difícil mover una mesa enorme o, digamos, un piano.

En el punto de contacto de dos cuerpos siempre ocurre interacción, que impide el movimiento de un cuerpo sobre la superficie de otro. Se llama fricción. Y la magnitud de esta interacción es la fuerza de fricción.

Tipos de fuerzas de fricción

Imaginemos que necesitas mover un mueble pesado. Claramente tu fuerza no es suficiente. Aumentemos la fuerza de “corte”. Al mismo tiempo, la fuerza de fricción aumenta. paz. Y está dirigido en dirección opuesta al movimiento del gabinete. Finalmente, la fuerza “cortante” “gana” y el gabinete se aleja. Ahora la fuerza de fricción entra en acción. deslizar. Pero es menor que la fuerza de fricción estática y es mucho más fácil mover el gabinete más lejos.

Por supuesto, usted tuvo que ver cómo 2 o 3 personas se llevan un automóvil pesado con el motor repentinamente parado. Las personas que empujan el auto no son hombres fuertes, la fuerza de fricción simplemente actúa sobre las ruedas del auto. laminación. Este tipo de fricción se produce cuando un cuerpo rueda sobre la superficie de otro. Una bola, un lápiz redondo o facetado, las ruedas de un tren, etc. pueden rodar. Este tipo de fricción es mucho menor que la fuerza de fricción por deslizamiento. Por tanto, es muy fácil mover muebles pesados ​​si están equipados con ruedas.

Pero, en este caso, la fuerza de fricción está dirigida contra el movimiento del cuerpo, por lo tanto, reduce la velocidad del cuerpo. Si no fuera por su “carácter nocivo”, al acelerar en bicicleta o patines, se podría disfrutar del viaje indefinidamente. Por la misma razón, un coche con el motor apagado se moverá por inercia durante un tiempo y luego se detendrá.

Entonces, recuerda, existen 3 tipos de fuerzas de fricción:

• fricción de deslizamiento;
• fricción de rodadura;
• fricción estática.

La velocidad a la que cambia la velocidad se llama aceleración. Pero, como la fuerza de fricción frena el movimiento, esta aceleración tendrá signo menos. Sería correcto decir Bajo la influencia de la fricción, un cuerpo se mueve con desaceleración.

¿Cuál es la naturaleza de la fricción?

Si examinas la superficie lisa de una mesa pulida o de hielo con una lupa, verás pequeñas asperezas a las que se adhiere un cuerpo que se desliza o rueda sobre su superficie. Después de todo, un cuerpo que se mueve a lo largo de estas superficies también tiene protuberancias similares.

En los puntos de contacto, las moléculas se acercan tanto que empiezan a atraerse entre sí. Pero el cuerpo sigue moviéndose, los átomos se alejan unos de otros, los enlaces entre ellos se rompen. Esto hace que los átomos liberados de la atracción vibren. Aproximadamente como oscila un resorte liberado de tensión. Percibimos estas vibraciones de las moléculas como calentamiento. Es por eso La fricción siempre va acompañada de un aumento de la temperatura de las superficies en contacto.

Esto significa que hay dos razones que provocan este fenómeno:

• irregularidades en la superficie de los cuerpos en contacto;
• Fuerzas de atracción intermolecular.

¿De qué depende la fuerza de fricción?

Probablemente hayas notado el frenazo brusco de un trineo cuando se desliza por una zona arenosa. Y una observación más interesante: cuando hay una persona en el trineo, bajará la colina en un sentido. Y si dos amigos se deslizan juntos, el trineo se detendrá más rápido. Por tanto, la fuerza de fricción es:

• depende del material de las superficies de contacto;
• además, la fricción aumenta al aumentar el peso corporal;
• actúa en dirección opuesta al movimiento.

La maravillosa ciencia de la física también es buena porque muchas dependencias pueden expresarse no solo en palabras, sino también en forma de signos especiales (fórmulas). Para la fuerza de fricción se ve así:

Pie = kN Dónde:

ftr - fuerza de fricción.

k - coeficiente de fricción, que refleja la dependencia de la fuerza de fricción del material y la limpieza de su procesamiento. Digamos que si el metal rueda sobre metal k=0,18, si patinas sobre hielo k=0,02 (el coeficiente de fricción es siempre menor que uno);

norte es la fuerza que actúa sobre el soporte. Si el cuerpo está sobre una superficie horizontal, esta fuerza es igual al peso del cuerpo. Para un plano inclinado pesa menos y depende del ángulo de inclinación. Cuanto más empinado sea el tobogán, más fácil será deslizarse hacia abajo y más tiempo podrás montar.

Y, calculando la fuerza de fricción estática del gabinete usando esta fórmula, descubriremos qué fuerza se debe aplicar para moverlo de su lugar.

Trabajo de la fuerza de fricción

Si sobre un cuerpo actúa una fuerza, bajo cuya influencia el cuerpo se mueve, entonces siempre se realiza trabajo. El trabajo de la fuerza de fricción tiene sus propias características: después de todo, no provoca el movimiento, sino que lo impide. Por tanto, el trabajo que realiza es siempre será negativo, es decir con un signo menos, no importa en qué dirección se mueva el cuerpo.

La fricción es amiga o enemiga

Las fuerzas de fricción nos acompañan a todas partes, trayendo daños tangibles y... enormes beneficios. Imaginemos que la fricción ha desaparecido. Un observador asombrado vería cómo las montañas se derrumban, los árboles son arrancados de la tierra por sí solos, los vientos huracanados y las olas del mar dominan la tierra sin cesar. Todos los cuerpos se deslizan hacia abajo en alguna parte, el transporte se desmorona en partes separadas, ya que los pernos no cumplen su función sin fricción, un monstruo invisible habría desatado todos los cordones y nudos, los muebles, no sostenidos por las fuerzas de fricción, se han Se deslizó hacia la esquina más baja de la habitación.

Intentemos escapar, escapar de este caos, pero sin fricciones. No podremos dar un solo paso. Después de todo, es la fricción la que nos ayuda a impulsarnos del suelo al caminar. Ahora está claro por qué las carreteras resbaladizas se cubren de arena en invierno...

Y al mismo tiempo, a veces la fricción causa daños importantes. La gente ha aprendido a reducir y aumentar la fricción, obteniendo enormes beneficios de ello. Por ejemplo, las ruedas se inventaron para arrastrar cargas pesadas, reemplazando la fricción por deslizamiento por rodadura, que es significativamente menor que la fricción por deslizamiento.

Porque un cuerpo rodante no tiene por qué atrapar muchas pequeñas irregularidades de la superficie, como ocurre cuando los cuerpos se deslizan. Luego, las ruedas se equiparon con neumáticos con un dibujo profundo (banda de rodadura).

¿Has notado que todas las llantas son de goma y negras?

Resulta que el caucho sujeta bien las ruedas en la carretera y el carbón añadido al caucho le da un color negro y la rigidez y resistencia necesarias. Además, en caso de accidentes en la carretera, permite medir la distancia de frenado. Después de todo, al frenar, los neumáticos dejan una clara marca negra.

Si es necesario, reduzca la fricción, utilice aceites lubricantes y lubricante seco de grafito. Un invento notable fue la creación de diferentes tipos de rodamientos de bolas. Se utilizan en una amplia variedad de mecanismos, desde bicicletas hasta los últimos aviones.

¿Hay fricción en los líquidos?

Cuando un cuerpo está estacionario en el agua, no se produce fricción con el agua. Pero tan pronto como comienza a moverse, surge la fricción, es decir. El agua resiste el movimiento de cualquier cuerpo en ella.

Esto significa que la orilla, al crear fricción, "ralentiza" el agua. Y, dado que la fricción del agua en la orilla reduce su velocidad, no conviene nadar hasta el medio del río, porque allí la corriente es mucho más fuerte. Los peces y los animales marinos tienen una forma tal que la fricción de sus cuerpos sobre el agua es mínima.

Los diseñadores dan la misma racionalización a los submarinos.

Nuestro conocimiento de otros fenómenos naturales continuará. ¡Nos vemos de nuevo amigos!

Si este mensaje te fue útil, estaré encantado de verte.

Definición 1

La fuerza de fricción representa la fuerza que aparece en el momento de contacto de dos cuerpos e impide su movimiento relativo.

La principal razón que provoca la fricción radica en la rugosidad de las superficies de fricción y la interacción molecular de estas superficies. La fuerza de fricción depende del material de las superficies en contacto y de la fuerza de su presión mutua.

Concepto de fuerza de fricción

Basado en modelos simples de fricción (basados ​​​​en la ley de Coulomb), la fuerza de fricción se considerará directamente proporcional al grado de reacción normal de las superficies en contacto y en fricción. Si lo consideramos en su conjunto, los procesos de fuerza de fricción no pueden describirse únicamente mediante modelos simples de la mecánica clásica, lo que se explica por la complejidad de las reacciones en la zona de interacción de los cuerpos en fricción.

Las fuerzas de fricción, al igual que las fuerzas elásticas, son de naturaleza electromagnética. Su aparición es posible debido a la interacción entre moléculas y átomos de cuerpos que entran en contacto.

Nota 1

Las fuerzas de fricción se diferencian de las fuerzas elásticas y gravitacionales en que dependen no sólo de la configuración de los cuerpos (de su posición relativa), sino también de las velocidades relativas de su interacción.

Tipos de fuerza de fricción

Siempre que exista un movimiento relativo de dos cuerpos en contacto entre sí, las fuerzas de fricción que surgen en tal proceso se dividen en los siguientes tipos:

1. Fricción por deslizamiento (representa una fuerza que surge como consecuencia del movimiento de traslación de uno de los cuerpos que interactúan con respecto al segundo y actúa sobre este cuerpo en una dirección opuesta a la dirección de deslizamiento).
2. Fricción por rodadura (representa el momento de fuerza que puede surgir en las condiciones del proceso de rodadura de uno de dos cuerpos en contacto con el otro).
3. Fricción estática (se considera una fuerza que surge entre dos cuerpos que interactúan y se convierte en un serio obstáculo para la aparición del movimiento relativo. Dicha fuerza se supera para que estos cuerpos en contacto se muevan entre sí. Este tipo de fricción aparece durante los micromovimientos (por ejemplo, durante la deformación) de los cuerpos en contacto. A medida que aumentan las fuerzas, la fuerza de fricción también aumentará.
4. Fricción rotacional (es un momento de fuerza que surge entre cuerpos en contacto en condiciones de rotación de uno de ellos con respecto al otro y dirigido contra la rotación). Determinado por la fórmula: $M=pN$, donde $N$ es la presión normal, $p$ es el coeficiente de fricción rotacional, que tiene la dimensión de longitud.

Experimentalmente se estableció la independencia de la fuerza de fricción de la superficie a lo largo de la cual se observa el contacto de los cuerpos y la proporcionalidad de la fuerza de presión normal con la que un cuerpo actuará sobre el segundo.

Definición 2

Un valor constante representa el coeficiente de fricción, que depende de la naturaleza y condición de las superficies de fricción.

En determinadas situaciones, la fricción es beneficiosa. Se pueden dar ejemplos de la imposibilidad de que una persona camine (en ausencia de fricción) y del movimiento de vehículos. Al mismo tiempo, la fricción también puede tener efectos perjudiciales. Por tanto, provoca el desgaste de las piezas en contacto de los mecanismos y un consumo adicional de combustible para los vehículos. Para contrarrestar esto, se utilizan distintos lubricantes (cojines de aire o líquidos). Otro método eficaz es sustituir el deslizamiento por el rodamiento.

Fórmulas de cálculo básicas para determinar la fuerza de fricción.

La fórmula de cálculo de la fuerza de fricción durante el deslizamiento se verá así:

• $m$-coeficiente de proporcionalidad (fricción por deslizamiento),
• $P$ es la fuerza de presión vertical (normal).

La fuerza de fricción por deslizamiento representa una de las fuerzas que controlan el movimiento y su fórmula se escribe utilizando la fuerza de reacción del soporte. Según la acción de la tercera ley de Newton, las fuerzas de presión normales, así como la reacción del soporte, resultan ser iguales en magnitud y opuestas en dirección:

Antes de determinar la fuerza de fricción, cuya fórmula se escribirá de la siguiente manera: $F=mN$, se determina la fuerza de reacción.

Nota 2

El coeficiente de resistencia durante el proceso de deslizamiento se introduce experimentalmente para superficies de fricción y dependerá del material y de la calidad del procesamiento.

La fuerza de fricción estática máxima se determina de manera similar a la fuerza de fricción por deslizamiento. Esto es importante para resolver problemas de determinación de la fuerza de resistencia motriz. Se puede dar un ejemplo de un libro que se mueve presionando una mano contra él. Así, el deslizamiento de este libro se realizará bajo la influencia de la fuerza de resistencia estática entre el libro y la mano. En este caso, la cantidad de resistencia dependerá de la fuerza de presión vertical sobre el libro.

Un hecho interesante será que la fuerza de fricción es proporcional al cuadrado de la velocidad correspondiente y su fórmula cambiará dependiendo de la velocidad de movimiento de los cuerpos que interactúan. Esta fuerza incluye la fuerza de resistencia viscosa en un líquido.

Dependiendo de la velocidad del movimiento, la fuerza de resistencia vendrá determinada por la velocidad del movimiento, la forma del cuerpo en movimiento o la viscosidad del líquido. El movimiento de un mismo cuerpo en aceite y agua va acompañado de resistencias de diferentes magnitudes. Para velocidades bajas se ve así:

• $k$ – coeficiente de proporcionalidad, dependiendo de las dimensiones lineales del cuerpo y las propiedades del medio ambiente,
• $v$ es la velocidad del cuerpo.