Friction
23 Mar, 2012
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PDFAnd rotation
PRESENTATION: When relative movement exists between two rigid systems, opposition appears if they are not polished. This friction force depends essentially on the material and the surface finish of the rigid systems, and on the perpendicular reaction at the surfaces.
- Revisiting the Least Force Required to Keep a Block from Sliding, Subhranil De, Phys. Teach. 51, 220 (2013)
- Removing Coins from a Dice Tower: No Magic — Just Physics, Michael Vollmer and Klaus-Peter Möllmann, Phys. Teach. 51, 212 (2013)
- Analyzing radial acceleration with a smartphone acceleration sensor, Patrik Vogt and Jochen Kuhn, Phys. Teach. 51, 182 (2013)
INTRODUCTION: The force of friction between two bodies appears even when there is no relative accelerated movement between them. When this happens the static friction force is acting, which is usually written as Fre, and its magnitude can take values between zero and a maximum, which is given by:
Fremax=μeN
OBJECTIVE: To show experimentally that the relationship between the velocity of a certain body and its static friction influence its state of rest or movement.
MATERIALS: rotating table, coins, chronometer.
SETUP: The centre of the table is located and the radius marked. Coins are placed along the mark and their contours are drawn around.
EXPLANATION: Static friction provides the coins with centripetal force. By placing a line of coins along the radius of a spinning table, the most outlying one in the line that does not fly off the turning surface is the one experiencing the maximum force of static friction. For various rotation speeds, the coin that is the first of those that do not fly off can be noted and we can see how the distance of the coin from the axis and the velocity satisfy the relation:
v2/R= μeg(constant)
CONCEPTS: static friction, centripetal acceleration, period, rotation velocity, friction force, dynamic friction, weight, normal force.
MORE INFORMATION:
TEXTS
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- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología , Reverté, 2012.
- F. Beer, J.J. Johnston, J.J, Mecánica vectorial para ingenieros, Mc Graw-Hill, 2005.
- S.M. Lea, J.R. Burke, Física. La naturaleza de las cosas, Thomson, 1999.
- W.F. Riley, L.D. Sturges, Ingeniería mecánica, Reverté, 1999.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
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STUDENTS 2011-2012: Airas Toba, Bran Touriño, Cristina Varela
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
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En muchos taludes excavados para la construcción de vías de comunicación, existen “capas planas de roca” que presentan una situación, al menos temporal, de estabilidad. Una de las razones más importantes que hace que “no se caigan”, es el rozamiento que existe entre las distintas capas. Es por ello que, con relativa frecuencia, cuando llueve mucho y este rozamiento disminuye o desaparece debido a la penetración abundante de agua entre dos capas, se producen deslizamientos de tipo planar.
Os recomiendo que veáis este vídeo de “Cazadores de Mitos”, un programa de divulgación científica que se emite actualmente en Discovery MAX. Los protagonistas intentan separar dos guías telefónicas, cuyas páginas han sido previamente intercaladas entre sí. La fuerza de rozamiento que existe entre las páginas de las guías impide que, tirando desde sus lomos en dirección contraria, se separen hasta que utilizan dos tanques, que ejercen una fuerza equivalente a 3.600 quilos de fuerza.
El rozamiento entre dos materiales depende en gran medida de la naturaleza de los mismos y de la rugosidad de sus superficies en contacto. Los siguiente vídeos vienen a demostrar esta afirmación al representar el diferente comportamiento de los materiales según la rugosidad de sus superficies.
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Existen múltiples ejemplos de fuerzas de fricción a nuestro alrededor, desde las ruedas de un coche sobre un pavimento o el agua de un río sobre las rocas de un lecho, hasta una soga que resbala alrededor de un palo y que hace que este se queme.
Una de las metodologías de investigación que más se está desarrollando en la actualidad es la observación microscópica de los tejidos naturales y como su morfología afecta a los diferentes aspectos físicos.
Un ejemplo de estudio del rozamiento fue realizado con los tejidos del vientre de las serpientes donde se calculó el coeficiente de rozamiento y se comprobó que las diferentes superficies tiene un valor dinámico que cambia en función de la dirección del movimiento. Imitar la microestructura de las escamas de las serpientes puede que permita desarrollar superficies biomiméticas de gran interés práctico.
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Al hilo del comentario anterior, hay superficies de plantas que reducen al máximo la fricción por su estructura superficial microscópica. Estas superficies minimizan la superficie de contacto con otras sustancias como el agua reduciendo la fricción y produciendo un comportamiento superhidrófobo, donde el agua o la miel resbalan y no se arrastran sobre la superficie como cuando existe una fricción mayor. A esta propiedad se le llama efecto flor de Loto, y se está investigando para fabricar materiales auto-limpiantes. Por otro lado, la energía liberada en forma de calor por rozamiento puede llegar al punto de fusión de los materiales, por ello se utiliza en la industria para soldar piezas metálicas.
El calor liberado por fricción también puede llegar al punto de ignición de los materiales implicados, esta propiedad era utilizada en la prehistoria para hacer fuego. Por último, en aspectos relacionados con la construcción en el pasado, la fricción también fue una desventaja para el transporte de material. Sin embargo, en el antiguo Egipto aprendieron a reducir la fricción de los trineos de transporte de bloques con la arena echando agua delante del trineo haciendo que la fricción se redujera a la mitad.
El rozamiento entre dos superficies en contacto ha sido aprovechado por
nuestros antepasados más remotos para hacer fuego frotando maderas. En
nuestra época, el rozamiento tiene una gran importancia económica, se estima que si se le prestase mayor atención se podría ahorrar muchísima energía y recursos económicos. De tal forma que dicho fenómenos se ha utilizado para realizar estudios en la Biomedicina de ortodoncia clínica sobre la fricción que ejercen los brackets según el material de que estén fabricados y el ancho de los mismos. Así después de diversos estudios desarrollaron brackets de plástico cuya fricción ha resultado menor que a los brackets de cerámica o de circonio.
Con esto podemos explicar a los alumnos que la física tiene un significado más complejo cuya utilidad sobrepasa los límites estudiados en el aula o en el laboratorio. Es útil para el día a día de la sociedad y por ellos, estas actividades son sinónimo de buen aprendizaje tanto de los contenidos como de su versatilidad.
El rozamiento es muy importante para mantener la seguridad en los vehículos durante la circulación en las carreteras. El dibujo y grosor de los neumáticos va a determinar que haya un mayor o menor rozamiento entre estos y la carretera. Una rueda lisa y sin o poco dibujo disminuye el rozamiento; el vehículo va más rápido pero es más fácil perder el control del vehículo y que pueda salir de la carretera en una curva. En cambio, un neumático con mayor dibujo y rugosidad aumentará el rozamiento y con ello el vehículo circulará de una forma más segura y con una agarre al pavimento mayor; estas ruedas son las indicadas en caso de lluvia o nieve. En los países en que los inviernos son nevosos, los neumáticos de las ruedas han de ser sustituidos por otros con mayor dibujo para aumentar el rozamiento con el asfalto, y así aumentar la seguridad en las carreteras y disminuir el riesgo de accidente.
Se trata de demostrar la mecánica de rozamiento :primero con un teléfono móvil por su lado rugoso sobre una mesa de superficie lisa, se observa dificultad de desplazamiento. Siendo luego el efecto contrario, al utilizar el lado liso del teléfono, su resistencia al rozamiento es imperceptible. A continuación se observa, utilizando un libro y presionando sobre él, el desplazamiento se dificulta en la misma medida de presión ejercida sobre él.
Dado que los ejemplos que había pensado al leer el fundamento de este experimento ya han sido mencionados (referencias a los taludes y el fuego), he buscado ejemplos de otros experimentos que nos permitan demostrar los efectos del rozamiento en un aula, ya que existen varios bastante curiosos y sencillos.
Uno de ellos es la denominada “peonza celta”, un objeto muy sencillo pero que gira de una manera bastante peculiar. Si la hacemos girar sobre una superficie especular (con muy poco rozamiento), ésta mostrará un sentido preferente de giro, de manera que si la giramos en ese sentido, lo hará hasta detenerse. Sin embargo, si la giramos hacia el sentido contrario, ésta se detendrá y empezará a girar hacia su sentido preferente.
Con ayuda de este objeto podemos comprobar con suma claridad el efecto del rozamiento ya que si la colocamos sobre una superficie más rugosa y la giramos en el sentido no preferente, ésta simplemente se detiene.
En el siguiente vídeo podemos ver una explicación de este experimento.
Otro ejemplo de este fenómeno de rozamiento sería el disco de Euler, un disco de elevado peso que se hace girar sobre una superficie especular. Éste va cayendo lentamente y tarda mucho en detenerse, entre otras causas, por el rozamiento al hacer que su energía potencial y cinética disminuyan. En el siguiente enlace encontramos un estudio muy detallado del movimiento de este objeto.
Yo como bióloga me pierdo bastante con ese trabajo así que aquí hay una explicación mucho más sencilla del funcionamiento de este aparato.
Una experiencia que se puede realizar relativa a los efectos del rozamiento siempre que se disponga de una cámara termográfica (o asimilable) es la que hacen estos tres jóvenes en este vídeo con una bicicleta, observando los efectos térmicos de las frenadas.
Esta experiencia es muy sencilla y visual. Estaría bien implementarlo con un motor en el cual se pudiesen variar sus revoluciones por minuto, para poder tomar medidas de a que r.p.m diferentes materiales comienzan a moverse.
El rozamiento es una fuerza que es mayor que la fuerza de la gravedad cuando el objeto está parado. Solo cuando las demás fuerzas superan a la fuerza de rozamiento el objeto comienza a moverse. Es mayor la fuerza de rozamiento cuando el objeto está parado (rozamiento estático) que cuando el objeto está en movimiento (rozamiento dinámico). También comprobamos que la fuerza de rozamiento entre dos superficies va a depender de la rugosidad de las mismas. La mayor o menor rugosidad de una superficie depende de su acabado superficial. La rugosidad es el conjunto de irregularidades que posee una superficie. También podríamos introducir en la actividad el concepto de lubricante, que puede reducir el rozamiento al introducir una ligera capa deslizante entre ambas superficies. Podemos considerarlo en los casos en los que no sea posible modificar las variables anteriores.