Cuando un cuerpo se desliza sobre una superficie, tarde o temprano acabará parándose; esta afirmación parece contradecir la primera ley de Newton o de la inercia. ¿Cuál es la causa de este comportamiento? La fuerza de rozamiento que se opone al deslizamiento y que es debida a las imperfecciones microscópicas de los materiales. Nos confunde el hecho de que parece que no actúa ninguna fuerza pero hay una fuerza, la del rozamiento, que se opone al deslizamiento de un cuerpo sobre otro y que explica, de acuerdo con la segunda ley de Newton, la existencia de un cambio en el estado de movimiento.
Imagen 5 de HiTe adaptada, bajo licencia Creative Commons
Actividad
Por fuerza de rozamiento se entiende toda fuerza que se opone al deslizamiento de un objeto debido a las interacciones entre las superficies de
contacto y/oel medio en el que se
desplaza.
Al realizar un estudio experimental de una fuerza de rozamiento, se encuentran las siguientes características:
Toda fuerza de rozamiento tiene la dirección de la superficie de contacto y sentido contrario al posible deslizamiento.
El valor de su módulo toma valores desde cero hasta un valor máximo, que coincide con la fuerza mínima para iniciar el movimiento.
Una vez ha comenzado el movimiento, el valor del módulo disminuye hasta un valor determinado que permanece constante mientras el cuerpo siga moviéndose.
La fuerza de rozamiento no depende del área de contacto entre superficies.
De estos resultados podemos deducir la existencia de una constante de proporcionalidad entre fuerza de rozamiento y la Normal, que denominaremos coeficiente de rozamiento y representaremos por la letra griega μ. Además, existen dos tipos de fuerza de rozamiento:
Fuerza de rozamiento estático, que actúa sobre los cuerpos en reposo, caracterizada por el coeficiente de rozamiento estático μe.
Fuerza de rozamiento dinámico, que actúa sobre los cuerpos en movimiento, caracterizada por el coeficiente de rozamiento dinámico μd.
Actividad
Según lo visto, el valor de la fuerza de rozamiento es variable. Mientras no haya deslizamiento, la fuerza de rozamiento coincide con las fuerzas aplicadas en la dirección del deslizamiento hasta alcanzar un valor máximo:
FRe max = μe·N
Cuando se produce deslizamiento la fuerza de rozamiento se puede calcular como:
FRd = μd·N
Se cumple que para un mismo par de superficies que el coeficiente de rozamiento dinámico es menor que el estático.
Ejemplo o ejercicio resuelto
Vamos a practicar un poco con el siguiente simulador para ver si has conseguido comprender cómo se manifiesta la fuerza de rozamiento.
Aplica una fuerza pequeña, 10 N por ejemplo, sobre el cuerpo del siguiente simulador y pulsa sobre comenzar. ¿Qué ocurre?
El cuerpo no se mueve.
¿Cómo es posible que el cuerpo no se mueva si estoy aplicando una fuerza sobre él?
Porque la suma de fuerzas que actúan sobre el cuerpo es cero. Esto quiere decir que debe haber una fuerza opuesta a la que estamos aplicando, de igual módulo, que la anule.
¿Cuál es esa fuerza?
La fuerza de rozamiento.
Reinicia y aplica una fuerza de 20 N. ¿Qué ocurre?
Tampoco se mueve. La fuerza de rozamiento ahora es de 20N y se opone a la que estamos aplicando de forma que la fuerza resultante es nula.
Reinicia y aplica una fuerza de 40 N. ¿Qué ocurre ahora?
Ahora la fuerza aplicada es mayor que la de rozamiento, existe una fuerza resultante o neta mayor que cero que provoca una aceleración en el cuerpo.
¿Qué valor tendrá la fuerza de rozamiento en la situación anterior?
Como la fuerza resultante (22.2N) es la diferencia entre la aplicada (40 N) y la de rozamiento, basta restar para determinar el valor de esta última. La fuerza de rozamiento en este caso vale 18.8 N.
Reinicia y aplica una fuerza de 50 N. ¿Qué valor tiene la fuerza de rozamiento en este caso?
Repitiendo el cálculo anterior deducimos que la fuerza de rozamiento vale:
FR= 50-22.2=18.8N
Cuando el objeto se está movimiendo, ¿qué ocurre con el valor de la fuerza de rozamiento?
Que es constante. Se puede calcular multiplicando el coeficiente de rozamiento dinámico por la fuerza normal.
¿Se puede afirmar con carácter general que la fuerza de rozamiento coincide en módulo con el producto del coeficiente de rozamiento y el valor de la fuerza normal?
No. Hemos comprobado que esto es sólo válido durante la fase dinámica, mientras el objeto se mueve. Antes de que comience a moverse la fuerza de rozamiento tiene un valor variable que depende de la fuerza aplicada.
Reinicia de nuevo y mueve el cursor de la fuerza aplicada hasta que te ubiques en el punto A de la gráfica. ¿Qué ocurre? ¿Cuánto vale en este caso la fuerza de rozamiento máxima? ¿Cómo se puede calcular este valor?
El cuerpo no se mueve porque la suma de fuerzas sigue siendo cero. Si aumentamos un poco más la fuerza aplicada, ya el rozamiento no es capaz de compensarla y el cuerpo comienza a moverse. La fuerza de rozamiento máxima es 25,8 N. Este valor se puede calcular aplicando la fórmula:
FRe max = μe·N
Pre-conocimiento
Molécula de teflón. Imagen libre de derechos procedente de Wikipedia
El rozamiento nunca puede llegar a eliminarse completamente. Sin embargo, es posible reducirlo drásticamente mediante el uso de materiales específicos. La química moderna nos ha proporcionado sustancias que permiten un rozamiento mínimo: uno de estos materiales es el politetrafluoroetileno, más conocido por su nombre comercial Teflón.
Se trata de un material impermeable con un índice de fricción mínimo, lo que provoca que cualquier sustancia situada sobre él resbale, lo que le da su característica antiadherencia y de ahí su uso en sartenes y cacerolas. Como curiosidad, también se utiliza en piercings e implantes para evitar alergias y enganches con la ropa.
Puedes conocer más cosas sobre el politetrafluoroetileno en el siguiente enlace.
AV - Pregunta de Selección Múltiple
Marca las afirmaciones sobre el rozamiento que sean correctas:
Un cuerpo en reposo no sufre nunca rozamiento.
Correcto
Incorrecto!
El coeficiente de rozamiento estático siempre es mayor que el coeficiente de rozamiento dinámico.
Correcto
Incorrecto!
La fuerza de rozamiento estático siempre es mayor que la fuerza de rozamiento dinámico.
Correcto
Incorrecto!
Sobre un objeto en reposo actúa una fuerza de rozamiento siempre que exista otra fuerza en la dirección paralela a la superficie; su valor será igual y de sentido contrario a dicha fuerza, hasta un valor límite (F = μe·N), momento en el que el cuerpo comenzará a moverse.
Efectivamente, el valor del coeficiente de rozamiento estático es siempre mayor que el del dinámico, sin embargo esto no significa que la fuerza de rozamiento estático sea mayor que la del rozamiento dinámico, ya que esta depende de la fuerza que intenta provocar el movimiento. Lo que sí es cierto es que el valor máximo de la fuerza de rozamiento estático es mayor que la fuerza de rozamiento dinámico.
Es muy frecuente escuchar la frase "el rozamiento siempre se opone al movimiento". Claro como muchos objetos se paran por culpa del rozamiento... Pero piensa en una situación muy cotidiana: ¿qué fuerza nos permite transportar objetos en una bandeja?
Haz un esquema y dibuja las fuerzas que actúan sobre un objeto situado sobre la bandeja.
Evidentemente nosotros aplicamos una fuerza sobre la bandeja que desplaza al conjunto de la bandeja y el objeto que esta soporta encima. Supongamos que llevamos una botella. Las fuerzas que actúan sobre la botella, son la normal y su peso en dirección vertical. En dirección horizontal no hay ninguna fuerza aparentemente que la empuje hacia la derecha. Sin embargo, piensa por un momento qué ocurre cuando la bandeja está mojada. Es fácil ver como los objetos situados encima de una bandeja resbalan hacia atrás cuando nos movemos hacia delante y se pueden llegar a caer. Claro, cuando se moja la bandeja, el rozamiento de esta con los cuerpos que porta disminuye y por eso el cuerpo resbala. Por lo tanto la única fuerza que en este caso puede explicar el movimiento de la botella hacia la derecha es la fuerza de rozamiento con la superficie de la bandeja.
Imagen de elaboración propia
¿Qué es más correcto: decir que la fuerza de rozamiento se opone al movimiento o al deslizamiento entre superficies?
Evidentemente después de este ejemplo tenemos que concluir que la fuerza de rozamiento se opone al posible deslizamiento de un cuerpo sobre una superficie. Si la bandeja se mueve hacia la derecha, es posible que la botella deslice hacia la izquierda, por lo tanto el rozamiento apunta hacia la derecha oponiéndose a ese posible deslizamiento.
Actividad
Ejemplo o ejercicio resuelto
Pre-conocimiento
AV - Pregunta de Selección Múltiple
