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Rozamiento en el interior de fluidos.
Cuando un cuerpo se desplaza en el interior de un fluido (sea este líquido o gas) aparece siempre una fuerza de rozamiento que tiende a frenarlo, es decir, que tiene sentido contrario al del movimiento. ¿Has notado cómo te empuja hacia atrás el aire cuando vas montado en una motocicleta? Esa fuerza depende de:
a) La velocidad con la que se mueve el cuerpo en el interior del fluido. Así, cuando vas en la moto, notas que el empuje del aire va creciendo conforme aumenta la velocidad.
b) La forma del cuerpo que se mueve en el fluido. Por eso, si queremos disminuir ese tipo de rozamiento cuando vamos en moto o en bici, conviene adoptar una forma “aerodinámica” para ofrecer la mínima resistencia al aire, De la misma manera, los coches o los aviones e incluso los barcos, son diseñados de forma que ofrezcan la mínima resistencia al avance.
En el caso de un vehículo que se mueva en el aire, esa fuerza puede calcularse mediante la expresión:
donde ρ es la densidad del aire. Depende de la temperatura y de la presión atmosférica. En condiciones habituales puede tomarse como valor representativo 1,2 kg/m3.
CX el coeficiente de penetración aerodinámico. Es un número adimensional (sin unidades), que depende de la forma que ofrece fundamentalmente la parte frontal del vehículo, aunque en realidad influye toda la superficie exterior del mismo. Su valor puede variar mucho pero hoy se consiguen coches cuyo Cx es superior en muy poco a 0,3. Para vehículos con perfil menos aerodinámico, el valor puede ser superior a 0,4 e incluso tener valores bastante superiores.
A es la superficie frontal del coche. Depende del tamaño del coche, pero oscila entre 1,6 y 2,0 m2 para los automóviles actuales.
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v es la velocidad relativa del coche respecto del aire. Cuando el aire esta en calma, coincide con la velocidad respecto de la carretera, si hace viento a favor o en contra hay que modificar el valor que proporciona el cuentakilómetros del vehículo.
Actividad 17:
Calcular la fuerza de rozamiento de un vehículo cuya sección frontal es A=1,9m2 y coeficiente aerodinámico Cx=0,4 cuando circula a 54km/h y a 108 km/h. Si coloca en el techo un par de bicicletas que parámetros van a ser modificados y como van a influir en el rozamiento.
Actividad 18:
Los ingenieros de una fábrica de coches han diseñado un vehículo que corta el aire perfectamente. Señala ventajas e inconvenientes de este diseño tan bueno para la:
-entrada de aire fresco al interior del vehículo.
-estabilidad del vehículo.
-apertura de las ventanillas para ventilar el interior.
Actividad 19:
Buscar datos sobre los coeficientes aerodinámicos de los coches.
Actividad 20:
Dibujar sobre una bola de hierro que cae en el agua, las fuerzas que actúan. Dar valores aproximados a estas fuerzas. Con las fuerzas anteriores ¿Será uniforme el movimiento de la bola?.
Acordarse aquí de la práctica del año pasado.
¿Puede ayudar el movimiento al rozamiento?
El rozamiento parece que siempre se opone al movimiento. En muchas ocasiones es cierto que lo que interesa es disminuir al máximo el rozamiento. Para ello se pulimentan muy bien las superficies, se utilizan lubricantes, etc. Pero hay veces en las que sin rozamiento no podríamos poner en movimiento a un cuerpo que está en reposo. Eso es así porque el rozamiento es una fuerza que siempre se opone al movimiento relativo de las dos superficies entre las que hay rozamiento. En este sentido, el rozamiento dificulta el movimiento. Pero, en ocasiones, la existencia del rozamiento posibilita el movimiento del cuerpo en su conjunto.
Si arrastramos un armario encima del cual hay una serie de objetos. ¿Qué fuerza es la que ha puesto en movimiento al armario? ¿Y a los objetos? Si lo analizas, verás que en el segundo caso debe ser la fuerza de rozamiento entre ambas superficies. Esa fuerza de rozamiento dificulta el movimiento relativo entre las dos superficies, pero tiene como consecuencia el que se muevan los objetos de arriba en el mismo sentido que el armario.
Otras situaciones muy importantes en las que las fuerzas de rozamiento inciden positivamente son las acciones de caminar o de correr.
El caso de una persona que quiere andar o correr en unos juegos olímpicos es un ejemplo claro.
Al andar intentamos mover la pierna hacia atrás pero el rozamiento del suelo-zapato impide ese movimiento de deslizamiento del zapato sobre el suelo. La fuerza de rozamiento que aparece empuja al zapato y conjuntamente a todo el cuerpo hacia adelante. En este caso el rozamiento nos ayuda a movernos. Aunque generalmente no nos damos cuenta, su importancia es fundamental ya que sin ese rozamiento no podríamos andar (piensa en lo difícil que es andar sobre hielo); cuando “resbalamos”, la fuerza de rozamiento no es lo suficientemente grande para poder avanzar.
Es el suelo el que nos hace movernos hacia delante, y no nosotros solos como podríamos pensar. Los atletas para aumentar estas fuerzas de contacto utilizan zapatillas especiales que diseñan ingenieros especializados de las fábricas de calzado deportivo.
Actividad 21:
Dibuja las fuerzas (con módulo más o menos aproximado) que se ejercen entre el suelo y los zapatos de una persona que comienza a andar. Si quiere después comenzar a correr ¿qué ocurre con las fuerzas?
Busca información sobre los diferentes tipos de calzado deportivo.
Las fuerzas que hacemos sobre el suelo varían al andar (poca fuerza hacia atrás) y al correr. De hecho para aumentar nuestra velocidad al máximo debemos empujar con toda nuestra pierna el suelo hacia atrás, “dar un zarpazo al suelo” en lenguaje deportivo.
Actividad 22 . Lo anterior se puede poner de manifiesto si intentamos correr sobre un suelo en el que queden perfectamente reflejadas nuestras pisadas, por ejemplo la arena de la playa. Si queremos aumentar de velocidad veremos cómo las huellas son diferentes a cuando queremos movernos con rapidez constante. Realiza la experiencia y apunta el resultado con minuciosidad.
LA CARRETERA MUEVE A LOS COCHES.
Cuando existen elementos motrices, como es el caso de las ruedas del coche, el rozamiento se opone al movimiento relativo de la rueda sobre la superficie de la carretera, y dado que los puntos de la rueda se mueven hacia atrás con respecto a la carretera, el rozamiento con ésta empuja en sentido contrario, es decir, hacia adelante. Eso sólo ocurre en las *ruedas motrices+, es decir aquellas que son movidas por la acción del motor del coche.
La importancia del efecto del rozamiento puede observarse muy claramente cuando un coche patina, bien en barro o en arena. El movimiento de las ruedas motrices no sirve para hacer avanzar al coche y si te has fijado, las ruedas echan hacia atrás el barro o la arena al girar, pero como no hay fuerza de rozamiento suficiente el coche no avanza.
En ese sentido, vemos que no es suficiente con que el motor haga girar las ruedas para que el coche avance. Se necesita de] concurso de la carretera que empuje al coche para permitir el movimiento del mismo.
Actividad 23:
Dibuja las fuerzas (en dos croquis separados) que actúan sobre la rueda y sobre el suelo en un coche que marcha por una carretera horizontal a velocidad constante.
Actividad 24: Opcional.
Aplicaciones técnicas en los coches:
Tracción a las cuatro ruedas.
Diferencial autoblocante.
ABS y otros sistemas de frenado.
Coches sobreviradores y subviradores.
Tipos de neumáticos.
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