Fricción

La fricción es la fuerza que se resiste al movimiento relativo entre superficies sólidas, capas de fluidos o elementos materiales que se deslizan unos sobre otros.

Existen distintos tipos de fricciones:

• Fricción seca
• Fricción fluida
• Fricción lubricada
• Fricción de piel
• Fricción interna

Para propósitos del curso, nos centraremos en la fricción seca que a su vez se divide en fricción estática y fricción dinámica.

Cuando dos superficies en contacto se desplazan en realación entre ellas, la fricción entre ambas convierte parte de la energía cinética en energía térmica. Es decir, el trabajo se convierte en calor. Esta propiedad puede tener consecuencias dramáticas en casos como el encendido de una fogata al frotar dos piezas de madera:

Una parte de la energía del movimiento se convierte en calor en cualquier instancia que exista fricción, aún cuando la fricción se de entre un líquido y un sólido o entre dos líquidos.

La fricción es muy importante para proveer la tracción aprovechada para el movimiento de los vehículos terrestres, los cuales dependen de ella para acelerar, frenar o cambiar de dirección. La pérdida de fricción súbita puede causar la pérdida de control de los vehículos, ocasionando accidentes.

La fricción seca es una combinación de la adhesión, rugosidad, deformación y contaminación de las superficies involucradas. La complejidad de esta fuerza hace impráctico su cálculo a partir de primeros principios, por lo que su análisis y teoría se ha fundamentado en métodos empíricos.

La fuerza de fricción seca está dictada por el siguiente modelo:

En dónde:

• F de f es la fuerza de fricción ejercida entre las superficies. Siempre es paralela a la superficie y tiene la dirección opuesta a la de la fuerza neta aplicada.
• Mu es el coeficiente de fricción, una propiedad empírica dependiente de los materiales en contacto.
• F de n es la fuerza normal ejercida por cada superficie sobre la otra, en dirección perpendicular a las superficies.

La fricción coulómbica (Ff) puede tomar cualquier valor desde cero hasta el producto de mu por la fuerza normal. En el caso de la fricción estática, la fuerza de fricción es exactamente la necesaria para prevenir el movimiento relativo entre las superficies; En este caso, la fuerza de fricción fija un límite que se debe rebasar para que comience el movimiento. A esta fuerza máxima se le conoce como tracción.

La fuerza normal se define como la fuerza neta que comprime dos superficies paralelas, y su dirección es perpendicular a la de las superficies. En el caso simple de un objeto reposando sobre una superficie horizontal, el único componente de la fuerza normal proviene de la fuerza gravitacional. En este caso, la magnitud de la fuerza de fricción es el producto de la masa del objeto por la aceleración de la gravedad y el coeficiente de fricción. Sin embargo el coeficiente de fricción no está en función de la masa o el volumen, sólo depende de los materiales en contacto.

El coeficiente de fricción es un valor escalar adimensional que se representa comúnmente con la letra griega mu. Este valor describe la razón de la fuerza de fricción entre dos cuerpos que están en contacto. El coeficiente de fricción depende únicamente de los materiales que conforman las superficies; por ejemplo, el hielo sobre acero tiene un bajo coeficiente de fricción mientras que el caucho con el pavimento tienen un alto coeficiente de fricción.

Existen dos coeficientes de fricción, uno estático y otro dinámico.

El coeficiente de fricción estática está involucrado cuando dos superficies en reposo están en contacto. Este es usualmente mayor que su contraparte dinámica, y se puede considerar como la fuerza límite a superar para que pueda comenzar el movimiento de una superficie respecto a la otra.

El coeficiente de fricción dinámica, complementariamente, se utiliza para describir la fuerza de fricción entre dos superficies una vez que ha comenzado el movimiento relativo entre ellas; el proceso dónde se puede observar la transformación de trabajo en calor.

La gráfica anterior ilustra la fuerza aplicada a un cuerpo en reposo, que es cuando experimenta la fricción estática. La fricción aumenta conforme aumenta la fuerza aplicada HASTA que el cuerpo comienza a moverse. En ese momento (línea negra vertical) el cuerpo comienza a experimentar fricción dinámica, la cuál es menor a la fricción estática máxima.