Fricción Estática: Definición, fórmula y ejemplos

Definición de fricción estática

La fuerza de fricción proviene del hecho de que cada objeto físico es un poco “pegajoso”. Cuando dos superficies se tocan, habrá cierta resistencia si intentan moverse entre sí. La fricción estática se aplica cuando dos superficies no están en movimiento entre sí. La resistencia proporcionada por la fricción estática significa que se debe aplicar una cierta cantidad de fuerza para superarla y hacer que las cosas se muevan. Si la fuerza ejercida sobre una de las superficies no excede la fuerza de fricción estática, entonces no habrá movimiento alguno.

¿Qué causa la fricción estática?

La fricción estática tiene las mismas fuentes que la fricción en general. Se pueden resumir en un pequeño número de categorías amplias, como sigue:

• Resistencia mecanica
• Adhesión química
• Fuerzas intermoleculares

Si dos superficies son irregulares o rugosas, la fricción entre ellas podría provenir de piezas que literalmente se entrelazan o chocan entre sí para dificultar el movimiento. A esto se le llama resistencia mecánica. Cosas como los dientes de engranajes o el velcro son ejemplos claros de resistencia mecánica, pero a menor escala, el mismo proceso ocurre con superficies rugosas. La arena del papel de lija o la veta rugosa de un trozo de madera producen fuertes condiciones para la fricción estática, ya que los pequeños pedazos que se desprenden de ellos deben rozar e incluso romperse entre sí para que se produzca el movimiento.

Además, la adhesión química puede ocurrir cuando dos superficies interactúan químicamente. La adhesión ocurre cuando dos tipos diferentes de superficies se atraen ( la cohesión es cuando dos superficies del mismo tipo se atraen), y esto puede ocurrir por varias razones. Pueden interactuar directamente, formando enlaces moleculares fuertes o enlaces de hidrógeno más débiles. También se puede ayudar a su adhesión con una tercera capa intermedia, como el pegamento o como funciona un trozo de cinta adhesiva.

Otras fuerzas intermoleculares, llamadas fuerzas de dispersión, pueden crear fricción. Las fuerzas de London y las fuerzas de Van der Walls en particular surgen cuando se producen dipolos; es decir, cuando pequeñas regiones de cargas positivas en algunas moléculas y pequeñas regiones de cargas negativas en otras moléculas comienzan a apuntar entre sí, creando una atracción electrostática débil. De hecho, este tipo de interacción ocurre en todas las superficies hasta cierto punto, creando parte de la fricción que ocurre incluso entre superficies extremadamente lisas.

Fórmula de fricción estática

La fricción estática se incluye en los cálculos como coeficiente de fricción estática ({eq}\mu_s {/eq}), que no es una fuerza en sí misma. De hecho, no tiene ninguna unidad. El coeficiente de fricción estática se utiliza para encontrar la fuerza de fricción estática ({eq}f_s {/eq}), que es una fuerza que actúa directamente opuesta a la fuerza que se aplica. La fuerza de fricción estática se encuentra multiplicando el coeficiente de estática por la fuerza normal ({eq}F_N {/eq}).

$$\mu_s \cdot F_N = f_s $$

Los diagramas de cuerpo libre siempre son útiles para ilustrar fuerzas.

Observe que la fuerza normal es perpendicular a la intersección del objeto y la superficie y apunta en dirección opuesta a la superficie. La fuerza normal es el resultado de la Tercera Ley de Newton. A medida que la gravedad tira del objeto hacia abajo para crear peso en la superficie, la superficie presiona hacia arriba con una fuerza de igual magnitud. Conceptualmente, es lo que evita que el objeto simplemente caiga a través de la superficie.

Si el objeto está en una pendiente, el diagrama de cuerpo libre se ve así:

Ahora que hay un ángulo de inclinación, no es lo mismo el peso del objeto que la fuerza que ejerce sobre la superficie. Esto significa que la fuerza normal también tendrá un ángulo, ya que actúa perpendicular a la superficie. Observe que si bien el coeficiente de fricción estática no ha cambiado, la fuerza de fricción estática es menor en una pendiente, porque la fuerza normal es menor.

Ahora, involucremos la fricción estática. La fricción estática actúa en sentido opuesto a la dirección del movimiento y proviene del coeficiente de fricción estática.

Ejemplo 1

Sobre una mesa hay un bloque de madera de 5 kg. Si el coeficiente de fricción estática es 0,35, ¿cuál es la fuerza de fricción estática?

No hay inclinación, por lo que podemos ver en el diagrama que la fuerza normal tiene la misma magnitud que el peso del objeto.

$$N = (5kg)(9,8 {m}/{s^2}) $$

$$N = 49 \:kg \cdot m/s^2 = 49 N $$

Para encontrar la fuerza de fricción estática, multiplicamos el coeficiente de fricción estática por la fuerza normal.

$$f_s = (.35)(49N) $$

$$f_s = 17,15 N $$

Ejemplo 2

Un bloque de madera de 5 kg está apoyado sobre una inclinación de 30 grados. Si el coeficiente de fricción estática es 0,35, ¿cuál es la fuerza de fricción estática? Si hay una pendiente, la fuerza normal ya no es igual al peso del objeto. Una forma sencilla de encontrarlo es recordar que la fuerza normal actúa perpendicular a la superficie y a la dirección del movimiento del objeto. Podemos pensar en el peso, que apunta hacia abajo, como la hipotenusa de un triángulo rectángulo, donde los catetos serán la fuerza que el objeto ejerce sobre la superficie y la fuerza que lo empuja hacia abajo, así:

La fuerza normal entonces será {eq}mg\: cos\: \theta {/eq}, y la fuerza en la dirección del movimiento será {eq}mg\: sin\: \theta {/eq}.

$$F_N = (5kg)(9.8\: m/s^2)\: cos\:30 $$

$$F_N = 42.44\:N $$

Ahora usa el coeficiente de fricción estática para encontrar la fuerza de fricción estática.

$$f_s = (.35)(42.44\:N) = 14.85\:N $$

Tenga en cuenta que en el diagrama, la fuerza normal y la fuerza de fricción estática son iguales al negativo del coseno y el seno de mg. Esto se debe a que están en direcciones opuestas.

Ejemplos de fricción estática

Como incluso las pequeñas imperfecciones son importantes, el coeficiente de fricción depende exactamente de qué tipo de material se enfrenta a qué tipo de material. La fricción estática como fuerza entra en juego cuando dos superficies están en reposo entre sí. Los coeficientes de fricción estática para muchos materiales diferentes ya se han determinado experimentalmente y se pueden consultar en tablas.

Materia 1	Materia 2	coeficiente de fricción estática
hierro fundido	hierro fundido	1.1
concreto	madera	.62
cobre	acero	.53
hielo	madera	.05
cuero	hierro	.3
papel	hierro fundido	.19
acero	acero	.8
acero	hielo	.01

Fricción estática versus fricción cinética

Como ya hemos dicho, la fricción estática es uno de los principales tipos de fricción, y sólo entra en juego cuando las superficies en cuestión no están en movimiento. Una vez que se supera la fuerza de fricción estática y las cosas se ponen en movimiento, la situación de fricción cambia, al igual que el coeficiente de fricción. La fricción cinética, también conocida como fricción dinámica, describe una situación en la que dos superficies se deslizan entre sí, pero aún están en contacto. Para dos superficies cualesquiera, la fricción estática suele ser mayor que la fricción cinética.

Materia 1	Materia 1	coeficiente. de fricción estática	coeficiente. de fricción cinética
Vaso	Acero	.13	.12
Grafito	Grafito	.18	.14
Cuero	Madera	.61	.52

Un tercer tipo de fricción, la fricción por rodadura, describe una situación en la que una de las superficies está curvada y rueda sobre la otra. Esto hace que la superficie solo toque un área pequeña en un momento determinado, como una rueda que rueda en una carretera. Para dos superficies cualesquiera que estén en contacto, habrá diferentes coeficientes de fricción estática, cinética y de rodadura. La fricción estática suele ser la más fuerte de las tres y la rodadura la más débil, de modo que:

$$\mu_s > \mu_k > \mu_r $$

Resumen de la lección

La fricción estática ({eq}F_s {/eq}) es una fuerza que resiste el movimiento entre dos superficies que se tocan y no se mueven entre sí. De hecho, antes de que cualquiera de las superficies pueda moverse, se debe superar la fuerza de fricción estática. La fuerza de fricción estática se calcula utilizando el coeficiente de fricción estática ({eq}\mu_s {/eq}), que es un valor sin unidades que describe qué tan fuerte será la fuerza de fricción. El coeficiente de fricción estática se multiplica por la fuerza normal (N) que actúa sobre un objeto o superficie para encontrar la fuerza de fricción.

$$F_s = \mu_s \cdot N $$

La fuerza normal es igual a la fuerza que ejerce el objeto sobre la superficie, pero tiene la dirección opuesta.

Una vez superada la fuerza de fricción estática y las superficies comienzan a moverse, hay otros tipos de fricción que entran en juego. La fricción cinética (o dinámica) describe dos superficies que se deslizan entre sí, y la fricción por rodadura describe una que rueda sobre la otra, donde sólo un área relativamente pequeña se toca en un momento dado. Para dos materiales cualesquiera, la fricción estática suele ser la más fuerte y la fricción de rodadura suele ser la más débil.

$$\mu_s > \mu_k > \mu_r $$

Los valores del coeficiente de fricción estática se determinan experimentalmente y se pueden extraer de una mesa.

La fricción en sí misma proviene de una variedad de fuentes, siendo las principales

• Resistencia mecánica: imperfecciones físicas que resisten el movimiento.
• Adhesión química : unión química o capas adhesivas entre superficies.
• Fuerzas intermoleculares: fuerzas moleculares que crean atracción electrostática.

Incluso en superficies extremadamente lisas, seguirá habiendo fricción. La fricción no se puede eliminar por completo.