- Tipus de fricció
- -Fricción de Coulomb
- Lleis de la fricció de Coulomb
- -Fricción fluïda
- -Fricción de Stokes
- Coeficients de fricció
- Coeficient de fricció estàtic
- Coeficient de fricció cinètic
- Coeficient de fricció elàstic
- Coeficient de fricció molecular
- Com es calcula la fricció?
- Característiques de la normal
- exercicis resolts
- -Força de fricció d'un objecte que reposa en una superfície horitzontal
- -Força de fricció d'un objecte sota l'acció d'una força amb un angle d'inclinació
- força normal
- -Fricción en un vehicle en moviment
- apartat b
- apartat c
La fricció és la resistència a el desplaçament d'una superfície estant en contacte amb una altra. És un fenomen superficial que es produeix entre materials sòlids, líquids i gasosos. La força de resistència tangencial a dues superfícies en contacte, que s'oposa a l'adreça de l'desplaçament relatiu entre aquestes superfícies, també es denomina força de fricció o força de fregament F r.
Per desplaçar un cos sòlid sobre una superfície s'ha d'aplicar una força externa que pugui vèncer la de fricció. Quan el cos es desplaça, la força de fricció actua sobre el cos disminuint la seva velocitat, i fins i tot pot arribar a aturar-lo.
fricció
La força de fricció es pot representar gràficament mitjançant el diagrama de forces d'un cos en contacte amb una superfície. En aquest diagrama la força de fricció F r es dibuixa oposant-se a la component de la força aplicada sobre el cos tangencial a la superfície.
La superfície de contacte exerceix una força de reacció sobre el cos anomenada força normal N. En alguns casos, la força normal es deu només a l'pes P de el cos que descansa sobre la superfície, i en altres casos, es deu a forces aplicades diferents a la força de gravetat.
La fricció s'origina perquè hi rugositats microscòpiques entre les superfícies en contacte. Quan s'intenta desplaçar una superfície sobre l'altra es produeixen fregaments entre les rugositats que impedeixen el moviment lliure en la interfase. Al seu torn es produeixen pèrdues d'energia en forma de calor que no s'aprofita per desplaçar el cos.
Tipus de fricció
Hi ha dos tipus principals de fricció: la fricció de Coulomb o fricció seca, i la fricció fluïda.
-Fricción de Coulomb
La fricció de Coulomb sempre s'oposa a el moviment dels cossos i es subdivideix en dos tipus de fricció: la fricció estàtica i la fricció cinètica (o dinàmica).
A la fricció estàtica no hi ha moviment de el cos sobre la superfície. La força aplicada és molt baixa i no és suficient per vèncer la força de fricció. La fricció té un valor màxim que és proporcional a la força normal i se li crida força de fricció estàtica F re.
La força de fricció estàtica es defineix com la força màxima que resisteix a l'inici dell moviment de el cos. Quan la força aplicada supera la força de fricció estàtica, aquesta es queda al seu valor màxim.
La fricció cinètica actua quan ja el cos està en moviment. La força requerida per mantenir en moviment el cos amb fricció es diu força de fricció cinètica F rc.
La força de fricció cinètica és menor o igual a la força de fricció estàtica pel fet que una vegada que el cos comença a moure és més fàcil seguir movent d'intentar fer-ho estant en repòs.
Lleis de la fricció de Coulomb
- La força de fricció és directament proporcional a la força normal a la superfície de contacte. La constant de proporcionalitat és el coeficient de fricció μ que hi ha entre les superfícies en contacte.
- La força de fricció és independent de la mida de l'àrea aparent de contacte entre les superfícies.
- La força de fricció cinètica és independent de la velocitat de lliscament de el cos.
-Fricción fluïda
La fricció també es produeix quan els cossos es mouen en contacte amb materials líquids o gasosos. A aquest tipus de fricció se l'anomena fricció fluida i es defineix com la resistència a el moviment dels cossos en contacte amb un fluid.
La fricció fluïda també es refereix a la resistència d'un fluid a fluir en contacte amb capes de fluid de el mateix material o d'un altre diferent, i depèn de la velocitat i de la viscositat de l'fluid. La viscositat és la mesura de la resistència a el moviment d'un fluid.
-Fricción de Stokes
La fricció de Stokes és un tipus de fricció fluïda en la qual partícules esfèriques immerses en un fluid viscós, en flux laminar, experimenten una força de fricció que frena el seu moviment a causa de les fluctuacions de les molècules de l'fluid.
Fricció de Stokes
El flux és laminar quan les forces viscoses, que s'oposen a el moviment de el fluid, són majors a les forces inercials i el fluid es desplaça amb velocitat prou petita i en trajectòria rectilínia.
Coeficients de fricció
D'acord a la primera llei de la fricció de Coulomb el coeficient de fricció μ s'obté de la relació entre la força de fricció i la força normal a la superfície de contacte.
El coeficient μ és una quantitat adimensional, per ser una relació entre dues forces, que depèn de la naturalesa i tractament dels materials en contacte. Generalment el valor de coeficient de fricció està comprès entre 0 i 1.
Coeficient de fricció estàtic
El coeficient de fricció estàtic és la constant de proporcionalitat que hi ha entre la força que impedeix el moviment d'un cos en estat de repòs sobre una superfície de contacte i la força normal a la superfície.
Coeficient de fricció cinètic
El coeficient de fricció cinètic és la constant de proporcionalitat que hi ha entre la força que restringeix el moviment d'un cos que es desplaça sobre una superfície i la força normal a la superfície.
El coeficient de fricció estàtic és més gran que el coeficient de fricció cinètic.
Coeficient de fricció elàstic
El coeficient de fricció elàstic es deriva de la fricció entre superfícies de contacte de materials elàstics, suaus o rugosos que es deformen per les forces aplicades. La fricció s'oposa a el moviment relatiu entre dues superfícies elàstiques i el desplaçament està acompanyat d'una deformació elàstica de les capes superficials de l'material.
El coeficient de fricció que s'obté sota aquestes condicions depèn de l'grau de rugositat de la superfície, de les propietats físiques dels materials en contacte i de la magnitud de la component tangencial de la força de cisalla en la interfície dels materials.
Coeficient de fricció molecular
El coeficient de fricció molecular s'obté de la força que restringeix el moviment d'una partícula que llisca sobre una superfície suau oa través d'un fluid.
Com es calcula la fricció?
La força de fricció en interfícies sòlides es calcula utilitzant l'equació F r = μN
A l'substituir l'equació de pes en l'equació de força de fricció s'obté:
Característiques de la normal
Quan un objecte es troba en repòs en una superfície plana, la força normal és la que exerceix la superfície sobre el cos, i s'oposa a la força deguda a la gravetat, d'acord a la llei d'acció i reacció de Newton.
La força normal sempre actua perpendicular a la superfície. En una superfície inclinada, la normal disminueix a mesura que augmenta l'angle d'inclinació i apunta en direcció perpendicular allunyant-se de la superfície, mentre que el pes apunta verticalment cap avall. L'equació de la força normal en una superfície inclinada és:
θ = angle d'inclinació de la superfície de contacte.
Fricció en pla inclinat
La component de la força que actua sobre el cos per lliscar és:
A mesura que la força aplicada augmenta s'acosta a el màxim valor de la força de fricció, aquest valor és el corresponent a la força de fricció estàtica. Quan F = F re, la força de fricció estàtica és:
I el coeficient de fricció estàtic s'obté mitjançant la tangent de l'angle d'inclinació θ.
exercicis resolts
-Força de fricció d'un objecte que reposa en una superfície horitzontal
Una caixa de 15Kg col·locada en una superfície horitzontal és empesa per una persona que aplica una força de 50 Newton al llarg d'una superfície perquè es mogui i després aplica una força de 25 N per mantenir la caixa en moviment a una velocitat constant. Determinar els coeficients de fricció estàtic i cinètic.
Caixa desplaçant-se en superfície horitzontal
Solució: Amb el valor de la força aplicada per moure la caixa s'obté el coeficient de fricció estàtic μ i.
La força normal N a la superfície és igual a el pes de la caixa, de manera que N = mg
En aquest cas, μ i = 50New / 147New
La força aplicada per mantenir la velocitat de la caixa constant és la força de fricció cinètica que és igual a 25New.
El coeficient de fricció cinètic s'obté amb l'equació μ c = F rc / N
-Força de fricció d'un objecte sota l'acció d'una força amb un angle d'inclinació
Un home aplica una força a una caixa de 20Kg, amb un angle d'aplicació de 30 ° amb relació a la superfície on reposa. Quina és la magnitud de la força aplicada per moure la caixa si el coeficient de fricció entre la caixa i la superfície és 0,5?
Solució: En el diagrama de cos lliure es representa la força aplicada i els seus components vertical i horitzontal.
Diagrama de cos lliure
La força aplicada forma un angle de 30 ° amb la superfície horitzontal. La component vertical de la força es suma a la força normal afectant la força de fricció estàtica. La caixa es mou quan la component horitzontal de la força aplicada supera el màxim valor de la força de fricció F re. A l'igualar la component horitzontal de la força amb la de fricció estàtica s'obté:
força normal
La força normal ja no és el pes de el cos a causa de la component vertical de la força.
D'acord a la segona llei de Newton, el sumatori de les forces que actuen sobre la caixa en l'eix vertical és nul·la, per tant la component vertical de l'acceleració és a i = 0. La força normal s'obté de la sumatòria
A l'substituir l'equació en l'equació s'obté el següent:
-Fricción en un vehicle en moviment
Un vehicle de 1,5 tones es desplaça en una carretera rectilínia i horitzontal a una velocitat de 70 km / h. El conductor visualitza, a una certa distància, obstacles a la via que l'obliguen frenar bruscament. Després de frenar el vehicle patina per un breu període de temps fins que s'atura. Si el coeficient de fricció entre els pneumàtics i la carretera és 0,7; determinar el següent:
- Quin és el valor de la fricció mentre el vehicle patina?
- La desacceleració de el vehicle
- La distància recorreguda pel vehicle des que frena fins que s'atura.
La força fricció de el vehicle quan patina és:
= 10290 New
apartat b
La força de fricció influeix en la disminució de velocitat de el vehicle quan patina.
A l'aplicar la segona llei de Newton s'obté el valor de la desacceleració buidant de l'equació F = ma
apartat c
La velocitat inicial d'el vehicle és v 0 = 70Km / h = 19,44m / s
Quan el vehicle es deté la seva velocitat final és v f = 0 i la desacceleració és a = - 6,86m / s 2
La distància recorreguda pel vehicle, des que frena fins que s'atura, s'obté buidant d de la següent equació:
El vehicle recorre 27,54m de distància abans d'aturar.
- Calculations of the coefficient of friction under elastic contact conditions. Mikhin, N M. 2, 1968, soviet Materials Science, Vol. 4, pàg. 149-152.
- Blau, P J. Friction Science and Technology. Florida, US: CRC Press, 2009.
- Relationship between adhesió and friction forces. Israelachvili, JN, Chen, You-Lung i Yoshizawa, H. 11, 1994, Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 8, pàg. 1231-1249.
- Zimba, J. Force and Motion. Baltimore, Maryland: The Johns Hopkins University Press, 2009.
- Bhushan, B. Principles and Applications of Tribology. New York: John Wiley and Sons, 1999.
- Sharma, CS i Purohit, K. Theory of mechanisms and machines. New Delhi: Prentice Hall of India, 2006.