Fricción cinética

Cuando un objeto está en movimiento ya sea en una superficie o en un medio viscoso, tal como aire o agua, hay una resistencia al movimiento porque el objeto interactúa con su entorno.

Llamamos a esa resistencia una fuerza de fricción. Las fuerzas de fricción son muy importantes en nuestra vida cotidiana. Ellas nos permiten caminar o correr y son necesarios para el movimiento de vehículos con ruedas.

Imagina que estás trabajando en tu jardín y has llenado un bote de basura con basura del jardín.

A continuación, intentas arrastrar el bote de basura en toda la superficie del patio de concreto, como en. Esta es una superficie real, no una superficie idealizada, sin fricción. Si aplicamos una fuerza externa horizontal F al bote, actuando a la derecha, el bote se mantiene estacionario si F es pequeño. La fuerza que contrarresta F y mantiene el bote de basura sin moverse actúa a la izquierda y se llama la fuerza de fricción estática fs. Mientras el bote no se mueva, fs = F. Por lo tanto, si F aumenta, también aumenta fs. Del mismo modo, si F disminuye, fs también. Los experimentos muestran que la fuerza de fricción surge de la naturaleza de las dos superficies: debido a su rugosidad, el contacto se hace solamente en unos pocos lugares donde los picos tocan el material.

En estos puntos, la fuerza de fricción surge en parte debido a un pico bloquea físicamente el movimiento de otro pico de la superficie opuesta y en parte por el enlace químico ("puntos de soldadura") de los picos opuestos a medida que entran en contacto. Si las superficies son rugosas, es probable que se produzca rebote, lo que complica aún más el análisis. Aunque los detalles de fricción son muy complejos a nivel atómico, esta fuerza implica en última instancia una interacción eléctrica entre los átomos o moléculas.

Si incrementamos la magnitud de F, la basura empezará a resbalar eventualmente. Cuando el bote de basura esté resbalando fs ha alcanzado su valor máximo. Cuando F excede a fs el bote de basura se moverá y hasta acelerará. Llamamos a la fuerza de fricción de un objeto en movimiento la fuerza de fricción cinética fk. La fuerza neta F – fk en la dirección x produce una aceleración hacia la derecha, según la segunda ley de Newton. Si F = fk, la aceleración es cero, y el bote de basura se mueve a la derecha a velocidad constante. Si se retira la fuerza aplicada, la fuerza de fricción que actúa hacia la izquierda proporciona una aceleración del bote de basura en la dirección –x  y, finalmente, lo lleva al reposo, una vez más en consonancia con la segunda ley de Newton.

Problema 1:

Un auto lleva una velocidad de 20 m/seg en el instante en que aplica los frenos en forma constante, y recorre 50m hasta llegar al reposo. Determinar: a) el tiempo empleado en detenerse; b) el coeficiente cinético de rozamiento entre las llantas y el asfalto. 

Paso 1. Con los datos proporcionados, calcular la desaceleración: Vf^2= Vo^2+2a*d; despejando a (recuerda que Vf es 0. Queda a = -Vo^2/2d          a=-4 m/seg2

Paso 2. Con la aceleración obtenida, se calcula ahora el tiempo que tarda en detenerse: Vf = Vo + a*t

t = Vo / a             t = 5 seg

Paso 3. Para calcular el coeficiente de rozamiento dinámico, se utiliza la segunda ley de Newton:

F = m*a siendo en este caso F = Fr, por ser la única fuerza, la fuerza de rozamiento, la que se opone al movimiento; sustituyendo Fr = fk*n se obtiene:

  fk*n = m*a; la fuerza normal n es igual al peso del auto por estar sobre una superficie horizontal; por lo que sustituyendo: fk*m*g = m*a; quedando: fk= a/g           es decir   fk = -4.0 m/s2/9.8 m/s2