Leyes de la fricción seca
Las propiedades elementales de la fricción de deslizamiento fueron
descubiertos por el experimento en el 15 al siglo 18 y se expresaron
como tres leyes empíricas:
-
Primera Ley Amontons ': La fuerza de fricción es directamente proporcional a la carga aplicada.
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Segunda Ley Amontons ': La fuerza de fricción es independiente del área aparente de contacto.
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Ley de fricción de Coulomb: fricción cinética es independiente de la velocidad de deslizamiento.
Fricción seca
Fricción en seco resiste el movimiento lateral relativo de dos
superficies sólidas en contacto. Los dos regímenes de fricción seca son
"fricción estática" entre las superficies que no se mueven, y la
fricción cinética entre superficies móviles.
Fricción de Coulomb, el nombre de Charles-Augustin de Coulomb, es un
modelo aproximado para calcular la fuerza de fricción en seco. Se rige
por la ecuación:
donde
-
es la fuerza de fricción ejercida por cada superficie en el otro. Es
paralela a la superficie, en una dirección opuesta a la fuerza neta
aplicada.
-
es el coeficiente de fricción, que es una propiedad empírica de los materiales de contacto,
-
es la fuerza normal ejercida por cada superficie sobre la otra, dirigida perpendicular a la superficie.
La fricción de Coulomb puede tomar cualquier valor desde cero hasta, y
la dirección de la fuerza de fricción contra una superficie es opuesta a
la superficie de movimiento que experimentaría en la ausencia de
fricción. Por lo tanto, en el caso estático, la fuerza de fricción es
exactamente lo que debe ser con el fin de impedir el movimiento entre
las superficies, sino que equilibra la fuerza neta que tiende a provocar
tal movimiento. En este caso, en lugar de proporcionar una estimación
de la fuerza de fricción real, la aproximación de Coulomb proporciona un
valor umbral para esta fuerza, por encima del cual comenzaría
movimiento. Esta fuerza máxima se conoce como tracción.
La fuerza de fricción siempre se ejerce en una dirección que se opone
al movimiento o movimiento potencial entre las dos superficies. Por
ejemplo, una piedra de curling deslizante a lo largo del hielo
experimenta una fuerza cinética frenarla. Para un ejemplo de movimiento
del potencial, las ruedas de un coche acelerando experimentan una fuerza
de fricción apuntando hacia delante, y si no lo hacían, las ruedas
giraban, y la goma se deslice hacia atrás a lo largo de la acera. Tenga
en cuenta que no es la dirección del movimiento del vehículo que se
oponen, que es la dirección de deslizamiento entre el neumático y la
carretera.
Fuerza normal
La fuerza normal se define como la fuerza neta compresión de dos
superficies paralelas juntos, y su dirección es perpendicular a las
superficies. En el caso simple de una masa que descansa sobre una
superficie horizontal, el único componente de la fuerza normal es la
fuerza debida a la gravedad, donde. En este caso, la magnitud de la
fuerza de fricción es el producto de la masa del objeto, la aceleración
debida a la gravedad, y el coeficiente de fricción. Sin embargo, el
coeficiente de fricción no es una función de la masa o volumen, sino que
depende únicamente del material. Por ejemplo, un bloque de aluminio
grande tiene el mismo coeficiente de fricción como un pequeño bloque de
aluminio. Sin embargo, la magnitud de la fuerza de rozamiento en sí
depende de la fuerza normal, y por lo tanto en la masa del bloque.
Si un objeto se encuentra en una superficie nivelada y la fuerza que
tiende a hacer que se deslice es horizontal, la fuerza normal entre el
objeto y la superficie es sólo su peso, que es igual a su masa
multiplicada por la aceleración debida a la gravedad de la tierra, g .
Si el objeto está en una superficie inclinada tal como un plano
inclinado, la fuerza normal es menor, ya que menos de la fuerza de la
gravedad es perpendicular a la cara del plano. Por lo tanto, la fuerza
normal, y en última instancia la fuerza de fricción, se determina
utilizando análisis de vectores, por lo general a través de un diagrama
de cuerpo libre. Dependiendo de la situación, el cálculo de la fuerza
normal puede incluir otras fuerzas de la gravedad.
Coeficiente de fricción
El coeficiente de fricción, a menudo simbolizado por la letra griega,
es un valor escalar adimensional que describe la relación de la fuerza
de fricción entre dos cuerpos y la fuerza de presión juntos. El
coeficiente de fricción depende de los materiales utilizados, por
ejemplo, de hielo sobre el acero tiene un bajo coeficiente de fricción,
mientras que el caucho en el pavimento tiene un alto coeficiente de
fricción. Los coeficientes de fricción gama de casi cero a más de uno.
Bajo buenas condiciones, por ejemplo, un neumático en concreto puede
tener un coeficiente de fricción de 1,7.
Para las superficies en reposo respecto a la otra, donde es el
coeficiente de fricción estática. Esto suele ser más grande que su
homólogo cinético.
Para superficies en movimiento relativo, donde es el coeficiente de
fricción cinética. La fricción de Coulomb es igual a, y la fuerza de
fricción en cada superficie se ejerce en la dirección opuesta a su
movimiento relativo a la otra superficie.
Fue Arthur-Jules Morin quien introdujo el término y demostró la
utilidad del coeficiente de fricción. El coeficiente de fricción es una
medición empírica - que tiene que ser medido experimentalmente, y no
puede ser encontrado a través de cálculos. Superficies más rugosas
tienden a tener valores efectivos superiores. Ambos coeficientes
estáticos y cinéticos de fricción dependen del par de superficies en
contacto; para un par dado de superficies, el coeficiente de fricción
estática es generalmente más grande que la de fricción cinética; en
algunos conjuntos de los dos coeficientes son iguales, tal como teflón
en teflón.
Mayoría de los materiales secos en combinación tienen valores de
coeficiente de fricción entre 0,3 y 0,6 - Los valores fuera de este
rango son más raros, pero teflón, por ejemplo, pueden tener un
coeficiente tan bajo como 0.04 - Un valor de cero significa no hay
fricción en absoluto, una propiedad difícil de alcanzar - incluso los
vehículos de levitación magnética tienen resistencia. Goma en contacto
con otras superficies puede producir coeficientes de fricción 1-2 - De
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Aunque a menudo se dice que el COF es un "bienes materiales" es mejor
categorizada como "propiedad del sistema." A diferencia de verdaderas
propiedades del material, el COF para cualquiera de los dos materiales
depende de las variables del sistema tales como la temperatura, la
velocidad, la atmósfera y también lo están ahora popularmente se
describe como el envejecimiento y deaging veces; así como en las
propiedades geométricas de la interfaz entre los materiales. Por
ejemplo, un pasador de cobre deslizante contra una placa de cobre de
espesor puede tener un COF que varía de 0,6 a bajas velocidades por
debajo de 0,2 a altas velocidades cuando la superficie de cobre comienza
a fundirse debido al calentamiento por fricción. La velocidad de este
último, por supuesto, no determina la COF única, y si el diámetro del
pasador se aumenta de modo que el calentamiento por fricción se elimina
rápidamente, la temperatura desciende, el pasador permanece sólido y el
COF se eleva a la de una prueba de "velocidad baja" .
Coeficiente negativo de fricción
A partir de 2012, un único estudio ha demostrado el potencial para un
coeficiente negativo de la fricción, lo que significa que una
disminución de la fuerza conduce a un aumento de la fricción. Esto
contradice la experiencia de todos los días que un aumento de la fuerza
normal, mejora la fricción. Así lo informó en la revista Nature en
octubre de 2012 e implicó la fricción encontrada por un microscopio de
fuerza atómica stylus cuando se arrastran a través de una hoja de
grafeno en presencia de oxígeno en el grafeno adsorbido.
Coeficientes aproximados de fricción
Un AlMgB14-TiB2 compuesto tiene un coeficiente de fricción aproximada
de 0,02 en lubricantes a base de agua-glicol, 0,04-0,05 y cuando se
seca. Bajo ciertas condiciones, algunos materiales tienen coeficientes
de fricción aún más bajos. Un ejemplo es el grafito, que puede tener un
coeficiente de fricción por debajo de 0,01. Este régimen ultra-fricción
se llama superlubricity.
La fricción estática
La fricción estática es la fricción entre dos o más objetos sólidos
que no se mueven uno respecto al otro. Por ejemplo, la fricción estática
puede evitar que un objeto de deslizarse por una superficie inclinada.
El coeficiente de fricción estática, por lo general denotado como s, es
por lo general más alto que el coeficiente de fricción cinética.
La fuerza de fricción estática debe ser superada por una fuerza
aplicada antes de que un objeto se puede mover. La fuerza de fricción
máxima posible entre dos superficies de deslizamiento antes de que
comience es el producto del coeficiente de fricción estática y la fuerza
normal:. Cuando no hay ocurra deslizamiento, la fuerza de fricción
puede tener cualquier valor desde cero hasta. Cualquier fuerza más
pequeña de intentar deslizar una superficie sobre la otra se opone por
una fuerza de fricción de igual magnitud y dirección opuesta. Cualquier
fuerza más grande que supera la fuerza de fricción estática y deslizante
provoca que se produzca. El deslizamiento instantánea se produce, la
fricción estática ya no es aplicable-la fricción entre las dos
superficies se llama entonces fricción cinética.
Un ejemplo de fricción estática es la fuerza que evita que una rueda
de coche se deslice a medida que rueda sobre el suelo. A pesar de que la
rueda está en movimiento, el parche del neumático en contacto con el
suelo es inmóvil en relación con el suelo, por lo que es estática en
lugar de fricción cinética.
El valor máximo de fricción estática, cuando el movimiento es
inminente, se refiere a veces como limitantes de la fricción, aunque
este término no se utiliza universalmente. También se conoce como la
tracción.
Fricción cinética
Fricción cinética se produce cuando dos objetos se mueven uno
respecto al otro y frotar juntos. El coeficiente de fricción cinética es
típicamente denota como k, y es por lo general menor que el coeficiente
de fricción estática de los mismos materiales. Sin embargo, los
comentarios de Richard Feynman que "con metales secos es muy difícil
mostrar alguna diferencia."
Los nuevos modelos están empezando a mostrar cómo la fricción
cinética puede ser mayor que la fricción estática. Fricción cinética se
entiende ahora, en muchos casos, que es causada principalmente por la
unión química entre las superficies, en lugar de asperezas de
enclavamiento, sin embargo, en muchos otros casos efectos de rugosidad
son dominantes, por ejemplo, en goma de fricción de la carretera.
Rugosidad de la superficie y el área de contacto, sin embargo, no
afectan a la fricción cinética para micro-y nano-escala de los objetos
que las fuerzas de superficie dominan las fuerzas de inercia.
Ángulo de fricción
Para obtener el máximo ángulo de fricción estática entre los materiales granulares, véase el ángulo de reposo.
Para ciertas aplicaciones, es más útil para definir la fricción
estática en términos del ángulo máximo antes de que uno de los elementos
comenzará deslizante. Esto se conoce como el ángulo de fricción o
ángulo de fricción. Se define como:
donde? es el ángulo de la vertical y s es el coeficiente de fricción
estática entre los objetos. Esta fórmula también se puede utilizar para
calcular s a partir de mediciones empíricas del ángulo de fricción.
La fricción en el nivel atómico
La determinación de las fuerzas necesarias para mover átomos más allá
de nosotros es un reto en el diseño de nanomáquinas. En 2008 los
científicos por primera vez fueron capaces de mover un solo átomo sobre
una superficie y medir las fuerzas necesarias. Uso de ultra alto vacío y
temperatura casi de cero, se utilizó un microscopio de fuerza atómica
modificado para arrastrar un átomo de cobalto, y una molécula de
monóxido de carbono, a través de superficies de cobre y platino.
FUENTE:
http://centrodeartigos.com/articulos-informativos/article_64481.html
