Ciencias naturales básicas



Fricción o rozamiento: fuerzas, coeficientes, conceptos y ejercicios

Para tener una idea de las fuerzas y coeficientes de fricción o rozamiento, imaginemos un bloque apoyado sobre una superficie horizontal (figura 1). Inicialmente, si el bloque está en reposo, las fuerzas que actúan sobre él tienen resultante nula (según la primera ley de newton). En otras palabras, el peso (w) está equilibrado con la fuerza normal (N). Ahora, si se aplica una fuerza horizontal (F) y el bloque continúa en reposo, la resultante sigue siendo nula. Entonces, debe haber una fuerza (f), en sentido contrario, que equilibre a (F). Esta fuerza (f) se debe a la acción ejercida por la superficie sobre el bloque y se denomina fuerza de fricción o rozamiento. En resumen, fuerza de fricción es aquella que resulta del contacto entre las superficies de dos cuerpos.

Fricción o rozamiento
Figura 1.

Del mismo modo, imagine que se aumenta de nuevo la fuerza (F) y el cuerpo aún permanece en equilibrio. Esto significa que la fuerza de rozamiento también aumentó para mantener la resultante nula. Esta situación se repetirá, hasta que se aplique la fuerza (F) suficiente para poner el bloque en movimiento. Si una vez que el bloque empieza a moverse, se deja de aplicar la fuerza (F), el cuerpo vuelve a detenerse ¿Por qué? Porque la fuerza de fricción actúa, incluso, durante el movimiento de los cuerpos. Sin embargo, la fuerza de rozamiento que actúa mientras el cuerpo está en reposo, es diferente de la que actúa cuando el cuerpo se mueve. En otras palabras, hay dos clases de fuerza de rozamiento.

Tipos de fuerza de fricción o rozamiento

Fuerza de fricción estática (fe): Es aquella que actúa sobre un cuerpo en reposo. La característica principal de esta fuerza, es que es variable y siempre equilibra las fuerzas que tienden a poner en movimiento al cuerpo. La fuerza máxima de rozamiento estático (feM), es aquella en la cual se rompe el reposo y el cuerpo se pone en movimiento. En consecuencia, se dice que la fuerza de rozamiento estático puede variar desde cero hasta el valor de la fuerza de rozamiento estático máxima. No puede superar ese valor.

Fuerza de fricción cinética (fk). Es aquella que actúa sobre un cuerpo en movimiento. Es menor que la fuerza de fricción estática. Además, se considera constante porque varía muy poco con el cambio de velocidad. Por otro lado, a esta fuerza también se le llama fuerza de fricción dinámica.

Características de las fuerzas de fricción o rozamiento

1 – Actúan siempre en sentido contrario al movimiento. Es decir, se oponen a él. Esta característica sirve como respuesta a una pregunta recurrente: ¿Cuál es la dirección de las fuerzas de rozamiento?

2 – Actúan en todos los puntos de contacto con otros medios. Por ejemplo, un submarino en el océano, un avión en el aire o un auto en la carretera, experimentan roce en todas sus superficies.

3 – Son independientes del área de contacto y son proporcionales a la fuerza normal.

4 – Producen calor y desgaste.

La figura 2, muestra algunas diferencias entre las fuerzas de rozamiento estático y cinético.

Fricción o rozamiento

Coeficiente de fricción o rozamiento

Se ha demostrado, experimentalmente, que la fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal (N) ejercida sobre un cuerpo. Entonces, el coeficiente de rozamiento es la constante de proporcionalidad de la relación entre la fuerza de rozamiento y la normal. El coeficiente de fricción se representa con la letra griega μ (mu que se lee miu) y no tiene unidades. Además, la fórmula de la fuerza de rozamiento se escribe indicando si el rozamiento es estático o cinético. Por lo tanto, la fórmula de la fuerza de rozamiento estático es:

\[f_e=\mu_{e}N\]

Del mismo modo, la fórmula de la fuerza de rozamiento cinético es:

\[f_k=\mu_{k}N\]

Consecuentemente, de estas fórmulas se pueden obtener expresiones para los coeficientes de rozamiento:

\[\mu_{e}={f_e\over N}\]
\[\mu_{k}={f_k\over N}\]

Por otro lado, el coeficiente de rozamiento depende de la naturaleza de las superficies en contacto. La tabla 1 muestra algunos de estos valores.

MaterialesEstático μeCinético μk
Acero sobre acero0,740,57
Teflón sobre acero0,040,04
Cobre sobre hierro1,050,29
Vidrio sobre vidrio0,940,4
Tabla 1. Coeficientes de rozamiento.

La importancia de la fricción radica en que permite el movimiento. Por ejemplo, al caminar, una persona empuja el suelo con sus pies, hacia atrás. Entonces, el suelo ejerce una fuerza de fricción sobre la persona, empujándola hacia adelante (3ª ley de Newton). En otras palabras, en una superficie sin rozamiento, ninguna persona puede caminar. Esta explicación es válida para todo objeto en movimiento. Del mismo modo, en una superficie sin rozamiento, un cuerpo en movimiento no podría detenerse. Los conceptos de fricción y rozamiento se deben a Leonardo Da Vinci.

Ejercicios resueltos

Dos ejercicios resueltos de fuerza de rozamiento:

Ejemplo 1

Un bloque de 10Kg de masa, está ubicado sobre una superficie horizontal (figura 1). Los coeficientes de fricción entre él y la superficie son: μe=0,4 y μk=0,2.

A -Si aplicando una fuerza F de 5N, se comprueba que el bloque permanece en reposo, ¿Cuál es el valor de la fuerza de rozamiento estática en ese momento?

B – ¿Cuál es el valor mínimo de la fuerza F para que el cuerpo se ponga en movimiento?

C – Una vez que el bloque empieza a moverse ¿Cuál es el valor de la fuerza de rozamiento cinético?

Solución:

Primero, se hallan el peso y la normal. El peso (w) es igual a masa por aceleración de gravedad (2ª ley de Newton). En consecuencia, su valor es:

\[w=10Kg\times 9,8m/s=98N\]

Como el bloque está en equilibrio vertical (no se moverá hacia arriba ni hacia abajo), Entonces, la normal es igual al peso. Es decir, 98 Newton. (1ª ley de Newton).

A – Si aplicando una fuerza F de 5N, el bloque permanece en reposo es porque esta fuerza esta equilibrada con otra igual y de sentido contrario. Esta es una fuerza de rozamiento estático y vale, también, 5N.

B – La fuerza mínima para que el bloque se nueva, se calcula con el coeficiente de rozamiento estático (μe). Por lo tanto, su valor es:

\[f_e=\mu_{e}N\]
\[f_e=0,4\times 98N=39,2N\]

Debe aplicarse apenas un poco más de ese valor (39,2N) para que el bloque empiece a moverse.

C – La fuerza de rozamiento cinético se halla con el coeficiente de rozamiento cinético (μk), En consecuencia, su valor es:

\[f_k=\mu_{k}N\]
\[f_k=0,2\times98N=19,6N\]

Ejemplo 2

Fuerza de rozamiento en un plano inclinado

Un cuerpo de 5Kg se encuentra en reposo sobre un plano inclinado 35°. ¿Cuál es el valor del coeficiente de rozamiento estático entre las dos superficies en ese momento?

Solución:

La figura 3 muestra el esquema de la situación.

Figura 3.

Primero, el peso del bloque es:

\[w=5Kg\times9,8m/s=49N\]

Segundo, como el bloque está en reposo, la fuerza de rozamiento estático (fe) en el eje x, está equilibrada con la componente del peso en ese mismo eje (wsenθ). Entonces:

\[f_e=wsen\theta\]
\[f_e=49N\times sen35^\circ=28,1N\]

Del mismo modo, en el eje y, se equilibran la normal (N) y el componente del peso en ese eje (wcosθ). Por lo tanto:

\[N=wcos\theta\]
\[N=49N\times cos35^\circ=40,1N\]

Para terminar, el coeficiente de rozamiento estático es:

\[\mu_{e}={f_e\over N}\]
\[\mu_{e}={28,1N\over 40,1N}=0,7\]

En conclusión, el coeficiente de rozamiento estático entre las dos superficies es 0,7.

Taller de lectura
  1. ¿Qué es fuerza de fricción o rozamiento?
  2. ¿Cuáles son las dos clases de fuerzas de fricción?
  3. Escriba las características de las fuerzas de rozamiento.
  4. Copie las diferencias entre fuerza de rozamiento estático y fuerzas de rozamiento cinético.
  5. Escriba las fórmulas de las fuerzas de rozamiento.
  6. ¿Qué es coeficiente de rozamiento?
  7. Escriba las fórmulas para los coeficientes de rozamiento.
  8. Copie, con los procedimientos, los ejemplos 1 y 2.