Fricción Cinética: Ecuación y ejemplos

¿Qué es la fricción cinética?

Un conductor ve de repente una luz roja adelante y frena de golpe. Los neumáticos se bloquean y se deslizan por el suelo, dejando marcas de patinaje en la carretera a medida que el automóvil frena hasta detenerse. ¿Qué hizo que el auto se detuviera? Siempre que dos superficies, como la llanta y la carretera, se deslizan una sobre la otra, hay una fuerza de fricción cinética que actúa para ralentizar el movimiento y, finalmente, detener el automóvil.

¿Qué es la fricción cinética? Una definición de fricción cinética simple es: una fuerza que se opone al movimiento y que resulta cuando dos superficies se deslizan una al lado de la otra.

Entonces, cuando los neumáticos se deslizan por la carretera, una fuerza de fricción cinética actúa para frenar el automóvil y hacer que se detenga. La fricción cinética se produce porque incluso las superficies que parecen lisas en realidad tienen una rugosidad microscópica que crea pequeñas protuberancias y valles en la superficie. Cuando las superficies se deslizan unas sobre otras, estas pequeñas crestas y protuberancias chocan entre sí, creando una fuerza de fricción cinética.

Ecuación de fricción cinética

La fuerza de fricción cinética ({eq} F_ {K} {/ eq}) que actúa sobre un objeto en movimiento depende solo de dos cosas: el coeficiente de fricción entre las dos superficies ({eq} \ mu_ {K} {/ eq} ) y la fuerza normal ({eq} F_ {N} {/ eq}).

$$ Kinetic \: Friction \: Force = coeficiente \: de \: fricción \: \ times \: Normal \: Force $$

$$ F_ {K} = \ mu_ {K} F_ {N} $$

Esto se conoce como ecuación de fricción cinética o fórmula de fricción cinética.

La fuerza normal es la fuerza de contacto ejercida por las dos superficies cuando se empujan entre sí, y siempre se ejerce perpendicular a una superficie. El coeficiente de fricción cinética depende del tipo de materiales que están en contacto. Los materiales como el hielo que son muy lisos tendrán un coeficiente de fricción más bajo que los materiales más ásperos como el hormigón o la goma.

Coeficiente de fricción cinética

El coeficiente de fricción cinética es un número sin unidades que depende de la rugosidad de la superficie de los dos materiales en contacto. Cuanto más rugosa sea la superficie, mayor será el coeficiente de fricción cinética. En la siguiente tabla se dan algunos ejemplos de coeficientes:

Veamos cómo calcular el coeficiente de fricción cinética. Para encontrar el coeficiente de fricción cinética, comience con la ecuación de fricción cinética y luego reorganícela para dividir la fuerza de fricción medida por la fuerza normal que actúa sobre el objeto en movimiento.

$$ \ mu_ {K} = F_ {K} / F_ ​​{N} $$

Ejemplos de fricción cinética

La fricción cinética es la fuerza responsable de ralentizar o detener los objetos en movimiento. Por ejemplo, cuando un patinador se desliza sobre el hielo, la fricción cinética actúa para frenar al patinador. Aunque el hielo es muy resbaladizo y liso, no está totalmente libre de fricción y todavía habrá una pequeña fuerza cinética. La fuerza de fricción cinética también es lo que hace que los frenos dejen de mover vehículos como automóviles y bicicletas. Cuando se aplican los frenos, la fricción cinética entre las pastillas de freno y el neumático en movimiento hace que las ruedas disminuyan la velocidad y se detengan. ¡Esto también crea mucha energía térmica! Inmediatamente después de que el automóvil se detenga, los frenos estarán muy calientes debido a toda esa fricción cinética.

Aplicación de la fricción cinética

Una aplicación interesante de la fricción cinética es la producción de alambres, varillas y tubos de metal mediante un proceso conocido como extrusión por fricción. La extrusión por fricción no requiere una fuente de calor externa. En cambio, la energía térmica se produce por la fricción cinética generada por la rotación de polvos o virutas de metal mientras se les aplica una carga. Esto requiere relativamente poca energía para producir productos metálicos con alta resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión. También permite que los productos de desecho de metales se reciclen en materiales utilizables.

Problema de ejemplo: velocidad constante

Se empuja una caja por el suelo a una velocidad constante. Si la caja pesa 20 N y el coeficiente de fricción entre la caja y el piso es 0.4, ¿cuánta fuerza se debe aplicar para empujar la caja a una constante de 1.0 m / s?

El primer paso para resolver cualquier problema que involucre fricción es determinar todas las fuerzas que actúan sobre la caja. Es útil dibujar un boceto que muestre las fuerzas.

En este caso, dado que no hay aceleración, las fuerzas en las direcciones horizontal y vertical deben equilibrarse entre sí. En la dirección horizontal, solo hay 2 fuerzas, la fuerza aplicada y la fuerza de fricción cinética. Por lo tanto, la fuerza de fricción cinética debe ser igual a la fuerza aplicada.

$$ F_ {A} = F_ {K} $$

Las 2 fuerzas ejercidas en la dirección vertical son el peso de la caja y la fuerza normal. Entonces, eso significa que la fuerza normal debe ser igual al peso.

$$ F_ {N} = F_ {W} = 20 N $$

Luego, use la ecuación de fricción cinética para encontrar la fuerza aplicada.

$$ F_ {K} = \ mu_ {K} F_ {N} = (0.4) (20 N) = 8 N $$

$$ F_ {K} = F_ {A} = 8 N $$

Entonces, para mantener la caja en movimiento a una velocidad constante, se debe aplicar una fuerza de 8 N. Tenga en cuenta que ni siquiera importa qué tan rápido se mueva la caja. Podría ser de 1,0 m / so 100 m / s, y la fuerza aplicada sería la misma en ambos sentidos. Eso es porque la fricción cinética no depende de la velocidad a la que se mueve el objeto.

Problema de ejemplo: aceleración

¿Qué pasa si en lugar de aplicar una fuerza de 8 N a la caja en el ejemplo anterior, se aplicó una fuerza de 12 N en su lugar? ¿Continuaría moviéndose la caja a una velocidad constante? ¡No debería! Debido a que la fuerza aplicada es ahora mayor que la fuerza de fricción cinética, hay una fuerza neta en la dirección horizontal. Para usar la ecuación del coeficiente de fricción cinética con aceleración, primero encuentre esta fuerza neta.

$$ F_ {net} = F_ {A} -F_ {K} = 12N-8 N = 4 N $$

Según la segunda ley del movimiento, la aceleración de un objeto es proporcional a la fuerza neta que se ejerce sobre él y su masa.

$$ a = F_ {net} / m $$

El peso de la caja es de 20 N, pero ¿cuál es su masa? Para encontrar la masa si se da el peso, divida el peso por la aceleración debida a la gravedad ( g = 10 m / s / s)

$$ m = (20 N / m) / (10 m / s / s) = 2 kg $$

Finalmente, use la segunda ley del movimiento para calcular la aceleración de la caja.

$$ a = (4 N) / (2 kg) = 2 m / s / s $$

Problema de ejemplo: encontrar el coeficiente de fricción

Cuando la caja de 20 N se mueve a una superficie diferente, se debe aplicar una fuerza de 15 N para mantenerla en movimiento a una velocidad constante. ¿Cuál es el coeficiente de fricción entre la caja y esta nueva superficie?

Para encontrar el coeficiente, divida la fuerza de fricción por la fuerza normal. Al igual que en el primer ejemplo, cuando no hay aceleración, la fuerza neta tanto en la dirección horizontal como en la vertical es cero. Esto significa que la fuerza de fricción es igual a la fuerza aplicada, 15 N, y la fuerza normal es igual al peso de la caja 20 N.

$$ \ mu_ {K} = F_ {K} / F_ ​​{N} = (15 N) / (20 N) = 0,75 $$

Problema de ejemplo: fricción en una pendiente

Finalmente, la caja se coloca en una inclinación de 45 grados. ¿Qué coeficiente de fricción le permitirá deslizarse por la pendiente a una velocidad constante incluso si no actúa sobre él ninguna otra fuerza que no sea la gravedad?

Este problema es un poco más complicado porque todas las fuerzas van en direcciones diferentes. La fuerza normal se ejerce perpendicular a la pendiente, la fuerza de fricción es paralela a la pendiente y el peso se dirige hacia abajo. Comience usando el ángulo de la pendiente para dividir el peso en componentes que sean paralelos y perpendiculares a la pendiente.

$$ F_ {W \ paralelo} = F_ {W} \ sin \ theta $$

$$ F_ {W \ perp} = F_ {W} \ cos \ theta $$

Como la caja no acelera, la fuerza neta que actúa sobre ella es cero. Esto significa que la fuerza de fricción es igual al componente paralelo del peso y la fuerza normal es igual al componente perpendicular del peso. Usando los componentes calculados anteriormente, el coeficiente de fricción se puede encontrar usando la ecuación de fricción cinética:

$$ \ mu _ {K} = \ frac {F_ {W} \ sin \ theta} {F_ {W} \ cos \ theta} = \ frac {\ sin 45 ^ {\ circ}} {\ cos 45 ^ { \ circ}} = 1 $$

Entonces, en una pendiente de 45 grados, una caja se deslizará hacia abajo a una velocidad constante si el coeficiente de fricción cinética entre la caja y la pendiente es 1.

Diferencia entre fricción cinética y fricción estática

Además de la fricción cinética, que requiere que exista movimiento, también existe otro tipo de fricción conocida como fricción estática que evita el movimiento. Este es el tipo de fricción que evita que una caja se deslice cuesta abajo y evita que el refrigerador se mueva cada vez que alguien abre la puerta. La fuerza de fricción estática máxima ejercida entre dos materiales es siempre un poco mayor que la fuerza de fricción cinética entre los mismos dos materiales. Esto se puede ver en un gráfico de fuerza de fricción frente a fuerza aplicada.

Veamos a continuación cómo encontrar el coeficiente de fricción estática. La fricción estática se calcula utilizando una ecuación muy similar a la ecuación de fricción cinética. Simplemente reemplace el coeficiente de fricción cinética con el coeficiente de fricción estática correspondiente, que siempre es un número mayor.

$$ F_ {S} = \ mu_ {S} F_ {N} $$

Resumen de la lección

La fricción cinética es una fuerza entre dos objetos que se mueven entre sí y que actúa para ralentizar u oponerse al movimiento. . La fuerza de fricción cinética depende de la fuerza de contacto, o fuerza normal , ejercida entre las dos superficies y del coeficiente de fricción cinética., que es un número sin unidades que depende de cuán rugosas sean las dos superficies. Los valores más altos del coeficiente de fricción cinética corresponden a superficies más rugosas donde habrá más fricción cinética. Incluso las superficies muy lisas también tendrán cierta cantidad de fricción cinética, por lo que el coeficiente de fricción cinética es siempre mayor que cero, y puede ser mayor que uno si las superficies en contacto son muy rugosas. Sin embargo, para la mayoría de los materiales, los valores del coeficiente de fricción cinética suelen estar entre cero y uno.

La ecuación de fricción cinética es:

$$ F_ {K} = \ mu_ {K} F_ {N} $$

Además de la fricción cinética, también existe una fuerza de fricción estática que actúa sobre los objetos que no se mueven. Esta es la fuerza que evita que los objetos se deslicen. Se calcula usando una ecuación similar, pero se usa el coeficiente de fricción estática en lugar del coeficiente de fricción cinética. Para dos materiales cualesquiera, el coeficiente de fricción estática es mayor que el coeficiente de fricción cinética porque se necesita más fuerza para hacer que un objeto comience a moverse a través de una superficie que para mantenerlo en movimiento.

$$ F_ {S} = \ mu_ {S} F_ {N} $$

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Rodrigo Ricardo Editor y fundador