Fricción Seca

Leyes de la fricción seca

Sobre una mesa de madera se coloca una caja. Su diagrama de cuerpo libre para esta se identifica de manera inmediata, pues hay un peso w, el cual presenta una reacción por la tercera ley de Newton, conocida como la fuerza normal N. Si el estado del cuerpo es de equilibrio bajo la acción de fuerza externa F, entonces necesariamente existe otra fuerza en sentido opuesto de igual magnitud, aunque si fuese mayor el efecto sobre el movimiento sería de retardo.

La fuerza contraria a la aplicada de forma horizontal se conoce como fuerza de fricción 𝒇 y constituye la agrupación de una distribución de fuerzas ∆𝐹_n tangenciales en cada punto de contacto entre la superficie y el objeto.

La naturaleza de estas fuerzas se relaciona con las rugosidades o deformaciones a nivel microscópico de las superficies en contacto. También, influye en la fricción la interacción electromagnética entre enlaces atómicos o moléculares.

Fuerza de fricción estática

Si la fuerza de fricción 𝒇 es de igual magnitud a la fuerza externa F, pero de sentido opuesto, el cuerpo se encuentra en equilibrio. Al ir incrementando poco a poco la fuerza externa F, la fricción también aumenta hasta alcanzar un valor máximo. Durante todo este intervalo, hasta el límite en donde el cuerpo llega a un equilibrio inestable, la fricción es estática 𝒇_e y se define como:

en donde la constante adimensional μ_s es el coeficiente de fricción estático y la normal.

Así, cuando las superficies está a punto de deslizarse una sobre la otra la fuerza de fricción es igual a una máxima o límite, proporcionando de esta manera una situación de movimiento inminente.

Por lo tanto, al realizar un aumento más en la fuerza externa F, el cuerpo supera el estado de equilibrio y empieza a moverse superando así el límite de la fuerza de fricción estática.

Fuerza de fricción cinética

Si la fuerza externa F, supera a la fuerza de fricción cinética 𝒇_s, entonces se origina un movimiento de las superficies con velocidad creciente. De igual manera el movimiento se encuentra bajo la influencia de las rugosidades o deformaciones de las superficies, esto implica la presencia de la fuerza de fricción que para esta situación de movimiento se conoce como cinética 𝒇_k, definida por:

en donde la constante adimensional μ_k es el coeficiente de fricción cinético y N la normal.

En general, los valores de las coeficientes μ_s y μ_k dependen directamente de los materiales que constituyen las superficies en contacto, por lo cual existen tablas con los datos de los coeficientes calculados a nivel experimental para diferentes materiales.

Pero, ¿cómo se determinan los coeficientes de fricción tanto para el estado de equilibrio como para el de movimiento? Existe un método simple para medir el coeficiente de fricción y es a partir de un plano inclinado.

Inicialmente, se dibuja el diagrama de cuerpo libre para la caja bajo un estado de equilibrio como se observa en la figura:

A partir de las condiciones de equilibrio se establece:

Por lo tanto, el coeficiente de fricción se define a partir de la razón entre la fuerza de fricción y la normal, así:

La fuerza de fricción estática es máxima 𝒇_smáx cuando se aumenta el ángulo α_c hasta que la caja esté a punto de deslizarse, movimiento inminente.

Superar la fuerza de fricción estática se logra cuando se aumenta el ángulo del plano α ≥ α_c, hasta que la caja empieza a moverse y acelerarse hacia abajo. En este caso se tiene un ángulo α_k superior al ángulo α_c definiendo el coeficiente cinético como: