Cuando un cuerpo se desliza sobre una superficie, tarde o temprano acabará parándose; esta afirmación parece contradecir la primera ley de Newton o de la inercia. ¿Cuál es la causa de este comportamiento? Cuando dos superficies están en contacto, aparece una fuerza debida al rozamiento entre las imperfecciones microscópicas de los materiales constituyentes, tal y como se muestra en la imagen.
Imagen 5 de HiTe adaptada, bajo licencia Creative Commons
Actividad
Por fuerza de rozamiento se entiende toda fuerza que se opone al movimiento de un objeto debido a las interacciones entre las superficies de
contacto y/oel medio en el que se
desplaza.
Según acaban de definirse, las fuerzas de rozamiento actúan siempre en sentido contrario
al de la velocidad con que se mueve el objeto, pero esto no quiere decir que un cuerpo en reposo no las sufran, sino que no se manifiestan hasta que alguna fuerza provoque el movimiento.
Al realizar un estudio experimental de una fuerza de rozamiento, se encuentran las siguientes características:
Toda fuerza de rozamiento tiene la dirección de la superficie de contacto y sentido contrario al movimiento.
El valor de su módulo toma valores desde cero hasta un valor máximo, que coincide con la fuerza mínima para iniciar el movimiento.
Una vez ha comenzado el movimiento, el valor del módulo disminuye hasta un valor determinado que permanece constante mientras el cuerpo siga movíendose.
La fuerza de rozamiento no depende del área de contacto entre superficies.
La fuerza de rozamiento es perpendicular a la fuerza Normal.
De estos resultados podemos deducir la existencia de una constante de proporcionalidad entre fuerza de rozamiento y la Normal, que denominaremos coeficiente de rozamiento y representaremos por la letra griega μ. Además, existen dos tipos de fuerza de rozamiento:
Fuerza de rozamiento estático, que actúa sobre los cuerpos en reposo, caracterizada por el coeficiente de rozamiento estático μe.
Fuerza de rozamiento dinámico, que actúa sobre los cuerpos en movimiento, caracterizada por el coeficiente de rozamiento dinámico μdi.
Actividad
Según lo visto, el valor de la la fuerza de rozamiento es:
Fuerza de rozamiento estático: FRes = μes·N
Fuerza de rozamiento dinámico: FRdi = μdi·N
Se cumple que para un mismo par de superficies: μes > μdi
Pre-conocimiento
El rozamiento nunca puede llegar a eliminarse completamente. Sin embargo, es posible reducirlo drásticamente mediante el uso de materiales específicos. La química moderna nos ha proporcionado sustancias que permiten un rozamiento mínimo: uno de estos materiales es el politetrafluoroetileno, más conocido por su nombre comercial Teflón.
Se trata de un material impermeable con un índice de fricción mínimo, lo que provoca que cualquier sustancia situada sobre él resbale, lo que le da su característica antiadherencia y de ahí su uso en sartenes y cacerolas. Como curiosidad, también se utiliza en piercings e implantes para evitar alergias y enganches con la ropa.
Puedes conocer más cosas sobre el politetrafluoroetileno en el siguiente enlace.
Para calcular el coeficiente de rozamiento se utilizan dispositivos experimentales que permiten calcular, a partir de una fuerza ejercida, la fuerza de rozamiento que aparece.
Puedes calcular el coeficiente de rozamiento entre distintas superficies en la animación. En ella deberás primero escoger una de las experiencias, añadir el peso deseado y pulsar a "Play" para comenzar. En el medidor aparecerán los datos de la masa, la fuerza aplicada, cuyo valor es para el momento en el que v = cte, entonces se cumplirá que a = 0 y por tanto F = FR. También aparece la velocidad adquirida y la fuerza máxima aplicada antes de que comience a moverse.
Pulsa sobre la imagen de la derecha para abrir la página web. Practica con la animación y los distintos experimentos. ¿Eres capaz de calcular µes y µdi para cada una de las experiencias a partir de estos datos experimentales?
Ejemplo o ejercicio resuelto
Calcula los coeficientes de rozamiento estático y dinámico correspondientes al experimento 3 de la animación.
En primer lugar pulsa el botón correspondiente a la experiencia 3 de la animación para seleccionarla. Da un valor de 200 g a la masa, ajustándola en el panel de control, y comienza la experiencia. Luego repite la misma experiencia, en este caso con una masa de 400 g, obteniendo como resultado para ellas:
masa 200 g
masa 400 g
Imagen 7 de elaboración propia a partir de Educastur
Según se ha visto anteriormente, el valor de la fuerza de rozamiento es igual a FR = µ·N; al tratarse de un movimiento en el plano horizontal, no existe movimiento en el eje y, cumpliéndose que N = m·g (No te preocupes si ahora no entiendes esto, lo vamos a estudiar en el siguiente apartado). Tomando los datos del problema tenemos que:
Cálculo de µes: corresponderá con el valor máximo de la fuerza:
Experimento 1: m = 0.2 kg, F = 0.8 N. Entonces F = FR = µes·N → µes = F/N = F/m·g = 0.8/(0.2·9.8) = 0.41
Experimento 2: m = 0.4 kg, F = 1.6 N. Entonces F = FR = µes·N → µes = F/N = F/m·g = 1.6/(0.4·9.8) = 0.41
Cálculo de µdi: corresponderá con el valor de la fuerza con la cual, una vez en movimiento, el cuerpo presenta velocidad constante:
Experimento 1: m = 0.2 kg, F = 0.6 N. Entonces F = FR = µes·N → µes = F/N = F/m·g = 0.6/(0.2·9.8) = 0.31
Experimento 2: m = 0.4 kg, F = 1.2 N. Entonces F = FR = µes·N → µes = F/N = F/m·g = 1.2/(0.4·9.8) = 0.31
Se observa pues que los valores del coeficiente de rozamiento son µes = 0.41 y µdi = 0.31, cumpliéndose efectivamente que µes > µdi
AV - Pregunta de Selección Múltiple
Marca las afirmaciones sobre el rozamiento que sean correctas:
Un cuerpo en reposo no sufre nunca rozamiento.
Correcto
Incorrecto!
El coeficiente de rozamiento estático siempre es mayor que el coeficiente de rozamiento dinámico.
Correcto
Incorrecto!
La fuerza de rozamiento estático siempre es mayor que la fuerza de rozamiento dinámico.
Correcto
Incorrecto!
Sobre un objeto en reposo actúa una fuerza de rozamiento siempre que exista otra fuerza en la dirección paralela a la superficie; su valor será igual y de sentido contrario a dicha fuerza, hasta un valor límite (F = μes·N), momento en el que el cuerpo comenzará a moverse.
Efectivamente, el valor del coeficiente de rozamiento estático es siempre mayor que el del dinámico, sin embargo esto no significa que la fuerza de rozamiento estático sea mayor que la del rozamiento dinámico, ya que esta depende de la fuerza que intenta provocar el movimiento. Lo que sí es cierto es que el valor máximo de la fuerza de rozamiento estático es mayor que la fuerza de rozamiento dinámico.
Actividad
Pre-conocimiento
Ejemplo o ejercicio resuelto
AV - Pregunta de Selección Múltiple