Fricción

Para otros usos, consulte Fricción (desambiguación) .

Fuerza que resiste el movimiento relativo de superficies sólidas, capas de fluidos y elementos de material que se deslizan entre sí

Parte de una serie sobre
Mecanica clasica
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d}{dt}}(m{\textbf {v}})}$ Segunda ley del movimiento
Historia Cronología Libros de texto
Sucursales Aplicado Celestial Continuum Dinámica Cinemática Cinética Estática Estadístico
Fundamentos Aceleración Momento angular Pareja Principio de D'Alembert Energía cinético potencial Fuerza Marco de referencia Marco de referencia inercial Impulso Inercia  / Momento de inercia Masa Potencia mecánica Trabajo mecánico Momento Impulso Espacio Velocidad Tiempo Esfuerzo de torsión Velocidad Trabajo virtual
Formulaciones Leyes del movimiento de Newton Mecánica analítica Mecánica lagrangiana Mecánica hamiltoniana Mecánica routhiana Ecuación de Hamilton-Jacobi Ecuación de movimiento de Appell Mecánica de Koopman – von Neumann
Temas centrales Relación de amortiguación Desplazamiento Ecuaciones de movimiento Leyes del movimiento de Euler Fuerza ficticia Fricción Oscilador armónico Marco de referencia inercial  / no inercial Mecánica del movimiento de partículas planas Movimiento  ( lineal ) Ley de Newton de la gravitación universal Leyes del movimiento de Newton Velocidad relativa Cuerpo rígido dinámica Ecuaciones de Euler Movimiento armónico simple Vibración
Rotación Movimiento circular Marco de referencia giratorio Fuerza centrípeta Fuerza centrífuga reactivo fuerza Coriolis Péndulo Velocidad tangencial Velocidad rotacional Aceleración angular  / desplazamiento  / frecuencia  / velocidad
Científicos Kepler Galileo Huygens Newton Horrocks Halley Daniel Bernoulli Johann Bernoulli Euler d'Alembert Clairaut Lagrange Laplace Hamilton Poisson Cauchy Routh Liouville Appell Gibbs Koopman von Neumann
Categorias ► Mecánica clásica
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Figura 1: Bloques simulados con superficies fractales rugosas, que exhiben interacciones de fricción estática ^[1]

La fricción es la fuerza que resiste el movimiento relativo de superficies sólidas, capas de fluidos y elementos de material que se deslizan entre sí. ^[2] Hay varios tipos de fricción:

• La fricción seca es una fuerza que se opone al movimiento lateral relativo de dos superficies sólidas en contacto. Fricción en seco se subdivide en fricción estática ( " fricción estática ") entre las superficies que no se mueven, y la fricción cinética entre superficies en movimiento. Con la excepción de la fricción atómica o molecular, la fricción seca generalmente surge de la interacción de características de la superficie, conocidas como asperezas (ver Figura 1).
• La fricción de un fluido describe la fricción entre las capas de un fluido viscoso que se mueven entre sí. ^{[3] [4]}

• La fricción lubricada es un caso de fricción de fluido en el que un fluido lubricante separa dos superficies sólidas. ^{[5] [6] [7]}

• La fricción de la piel es un componente del arrastre , la fuerza que resiste el movimiento de un fluido a través de la superficie de un cuerpo.
• La fricción interna es la fuerza que resiste el movimiento entre los elementos que componen un material sólido mientras sufre una deformación . ^[4]

Cuando las superficies en contacto se mueven entre sí, la fricción entre las dos superficies convierte la energía cinética en energía térmica (es decir, convierte el trabajo en calor ). Esta propiedad puede tener consecuencias dramáticas, como lo ilustra el uso de la fricción creada al frotar trozos de madera para iniciar un fuego. La energía cinética se convierte en energía térmica siempre que se produce un movimiento con fricción, por ejemplo, cuando se agita un fluido viscoso . Otra consecuencia importante de muchos tipos de fricción puede ser el desgaste , que puede provocar una degradación del rendimiento o daños a los componentes. La fricción es un componente de la ciencia de la tribología .

La fricción es deseable e importante para proporcionar tracción y facilitar el movimiento en tierra. La mayoría de los vehículos terrestres dependen de la fricción para acelerar, desacelerar y cambiar de dirección. Las reducciones repentinas de la tracción pueden provocar pérdidas de control y accidentes.

La fricción no es en sí misma una fuerza fundamental . La fricción seca surge de una combinación de adhesión entre superficies, rugosidad de la superficie, deformación de la superficie y contaminación de la superficie. La complejidad de estas interacciones hace que el cálculo de la fricción a partir de los primeros principios sea poco práctico y requiere el uso de métodos empíricos para el análisis y el desarrollo de la teoría.

La fricción es una fuerza no conservadora : el trabajo realizado contra la fricción depende de la trayectoria. En presencia de fricción, parte de la energía cinética siempre se transforma en energía térmica, por lo que la energía mecánica no se conserva.

Historia

Los griegos, incluidos Aristóteles , Vitruvio y Plinio el Viejo , estaban interesados ​​en la causa y la mitigación de la fricción. ^[8] Eran conscientes de las diferencias entre la fricción estática y cinética con Themistius afirmando en 350 DC que "es más fácil promover el movimiento de un cuerpo en movimiento que mover un cuerpo en reposo". ^{[8] [9] [10] [11]}

Las leyes clásicas de la fricción deslizante fueron descubiertas por Leonardo da Vinci en 1493, un pionero en tribología , pero las leyes documentadas en sus cuadernos no se publicaron y permanecieron desconocidas. ^{[12] [13] [14] [15] [16] [17]} Estas leyes fueron redescubiertas por Guillaume Amontons en 1699 ^[18] y se conocieron como las tres leyes de Amonton de fricción seca. Amontons presentó la naturaleza de la fricción en términos de irregularidades de la superficie y la fuerza requerida para levantar el peso presionando las superficies juntas. Este punto de vista fue elaborado por Bernard Forest de Bélidor ^[19] y Leonhard Euler.(1750), quien derivó el ángulo de reposo de un peso en un plano inclinado y primero distinguió entre fricción estática y cinética. ^[20] John Theophilus Desaguliers (1734) reconoció por primera vez el papel de la adhesión en la fricción. ^[21] Las fuerzas microscópicas hacen que las superficies se peguen; propuso que la fricción era la fuerza necesaria para romper las superficies adheridas.

Charles-Augustin de Coulomb (1785) desarrolló aún más la comprensión de la fricción . ^[18] Coulomb investigó la influencia de cuatro factores principales en la fricción: la naturaleza de los materiales en contacto y sus revestimientos superficiales; la extensión de la superficie; la presión (o carga) normal; y el tiempo que las superficies permanecieron en contacto (tiempo de reposo). ^[12] Coulomb consideró además la influencia de la velocidad de deslizamiento, la temperatura y la humedad, con el fin de decidir entre las diferentes explicaciones sobre la naturaleza de la fricción que se habían propuesto. La distinción entre fricción estática y dinámica se hace en la ley de fricción de Coulomb (ver más abajo), aunque esta distinción ya fue establecida por Johann Andreas von Segner.en 1758. ^[12] El efecto del tiempo de reposo fue explicado por Pieter van Musschenbroek (1762) al considerar las superficies de materiales fibrosos, con fibras engranando entre sí, lo que lleva un tiempo finito en el que aumenta la fricción.

John Leslie (1766–1832) notó una debilidad en las opiniones de Amontons y Coulomb: si la fricción surge de un peso que se levanta en el plano inclinado de asperezas sucesivas , ¿por qué entonces no se equilibra al descender la pendiente opuesta? Leslie se mostró igualmente escéptico sobre el papel de la adhesión propuesto por Desaguliers, que en general debería tener la misma tendencia a acelerar que a retardar el movimiento. ^[12] En opinión de Leslie, la fricción debe verse como un proceso de aplanamiento dependiente del tiempo, presionando hacia abajo las asperezas, que crea nuevos obstáculos en lo que antes eran cavidades.

Arthur Jules Morin (1833) desarrolló el concepto de fricción por deslizamiento versus fricción por rodadura. Osborne Reynolds (1866) derivó la ecuación del flujo viscoso. Esto completó el modelo empírico clásico de fricción (estático, cinético y fluido) comúnmente utilizado hoy en día en ingeniería. ^[13] En 1877, Fleeming Jenkin y JA Ewing investigaron la continuidad entre la fricción estática y cinética. ^[22]

El foco de la investigación durante el siglo XX ha sido comprender los mecanismos físicos detrás de la fricción. Frank Philip Bowden y David Tabor (1950) demostraron que, a nivel microscópico , el área real de contacto entre superficies es una fracción muy pequeña del área aparente. ^[14] Esta área real de contacto, causada por asperezas aumenta con la presión. El desarrollo del microscopio de fuerza atómica (hacia 1986) permitió a los científicos estudiar la fricción a escala atómica , ^[13] mostrando que, en esa escala, la fricción seca es el producto del esfuerzo cortante entre superficies.y el área de contacto. Estos dos descubrimientos explican la primera ley de Amonton (abajo) ; la proporcionalidad macroscópica entre la fuerza normal y la fuerza de fricción estática entre superficies secas.

Leyes de la fricción seca

La propiedad elemental de la fricción deslizante (cinética) se descubrió mediante experimentos en los siglos XV al XVIII y se expresó como tres leyes empíricas:

• Primera ley de Amontons : la fuerza de fricción es directamente proporcional a la carga aplicada.
• Segunda ley de Amontons : la fuerza de fricción es independiente del área aparente de contacto.
• Ley de fricción de Coulomb : la fricción cinética es independiente de la velocidad de deslizamiento.

Fricción seca

La fricción seca resiste el movimiento lateral relativo de dos superficies sólidas en contacto. Los dos regímenes de fricción en seco son 'fricción estática' ( " fricción estática ") entre las superficies que no se mueven, y la fricción cinética (a veces llamada la fricción de deslizamiento o fricción dinámica) entre superficies en movimiento.

La fricción de Coulomb, que lleva el nombre de Charles-Augustin de Coulomb , es un modelo aproximado que se utiliza para calcular la fuerza de la fricción en seco. Se rige por el modelo:

${\displaystyle F_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} },}$

dónde

• ${\displaystyle F_{\mathrm {f} }\,}$es la fuerza de fricción que ejerce cada superficie sobre la otra. Es paralelo a la superficie, en dirección opuesta a la fuerza neta aplicada.
• ${\displaystyle \mu \,}$ es el coeficiente de fricción, que es una propiedad empírica de los materiales en contacto,
• ${\displaystyle F_{\mathrm {n} }\,}$es la fuerza normal ejercida por cada superficie sobre la otra, dirigida perpendicular (normal) 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 al movimiento que experimentaría la superficie en ausencia de fricción. Así, en el caso estático, la fuerza de fricción es exactamente la que debe ser para evitar el movimiento entre las superficies; equilibra la fuerza neta que tiende a provocar dicho 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 el movimiento. Esta fuerza máxima se conoce como tracción .${\displaystyle F_{\mathrm {f} }\,}$${\displaystyle \mu F_{\mathrm {n} }\,}$

La fuerza de fricción siempre se ejerce en una dirección que se opone al movimiento (para la fricción cinética) o al movimiento potencial (para la fricción estática) entre las dos superficies. Por ejemplo, una piedra rizada que se desliza por el hielo experimenta una fuerza cinética que la frena. Como ejemplo de movimiento potencial, las ruedas motrices de un automóvil que acelera experimentan una fuerza de fricción que apunta hacia adelante; si no lo hicieran, las ruedas girarían y la goma se deslizaría hacia atrás a lo largo del pavimento. Tenga en cuenta que no es la dirección de movimiento del vehículo a la que se oponen, es la dirección del (potencial) deslizamiento entre el neumático y la carretera.

Fuerza normal

Diagrama de cuerpo libre para un bloque en una rampa. Las flechas son vectores que indican direcciones y magnitudes de fuerzas. N es la fuerza normal, mg es la fuerza de gravedad y F _f es la fuerza de fricción.

Artículo principal: Fuerza normal

La fuerza normal se define como la fuerza neta que comprime dos superficies paralelas juntas, 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 función de la masa o el volumen; depende solo del material. Por ejemplo, un bloque de aluminio grande tiene el mismo coeficiente de fricción que un bloque de aluminio pequeño. Sin embargo, la magnitud de la fuerza de fricción en sí depende de la fuerza normal y, por tanto, de la masa del bloque.${\displaystyle N=mg\,}$

Si un objeto está 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 solo su peso, que es igual a su masa multiplicada por la aceleración debida a la gravedad terrestre, g . Si el objeto está en una superficie inclinada , como un plano inclinado, la fuerza normal es menor, porque menos fuerza de gravedad es perpendicular a la cara del plano. Por lo tanto, la fuerza normal y, en última instancia, la fuerza de fricción, se determina mediante análisis vectorial , generalmente mediante un diagrama de cuerpo libre.${\displaystyle N\,}$. Dependiendo de la situación, el cálculo de la fuerza normal puede incluir fuerzas distintas de la gravedad.

Coeficiente de fricción

Esta sección necesita ser expandida con: explicación de por qué la fricción cinética es siempre menor. Puede ayudar agregando más . ( Agosto de 2020 )

El coeficiente de fricción (COF), a menudo simbolizado por la letra griega µ , es un escalar adimensional valor que describe la relación entre la fuerza de fricción entre dos cuerpos y la fuerza que los empuja juntos. El coeficiente de fricción depende de los materiales utilizados; por ejemplo, el hielo sobre acero tiene un bajo coeficiente de fricción, mientras que el caucho sobre pavimento tiene un alto coeficiente de fricción. Los coeficientes de fricción varían desde casi cero hasta más de uno. Es un axioma de la naturaleza de la fricción entre superficies metálicas que es mayor entre dos superficies de metales similares que entre dos superficies de metales diferentes; por lo tanto, el latón tendrá un coeficiente de fricción más alto cuando se mueve contra latón, pero menos si se mueve contra latón. acero o aluminio. ^[23]

Para superficies en reposo entre sí , donde es el coeficiente de fricción estática . Suele ser más grande que su contraparte cinética. El coeficiente de fricción estática exhibido por un par de superficies en contacto depende de los efectos combinados de las características de deformación del material y la rugosidad de la superficie , los cuales tienen su origen en la unión química entre átomos en cada uno de los materiales a granel y entre las superficies del material y cualquier material adsorbido . Se sabe que la fractalidad de las superficies, un parámetro que describe el comportamiento de escala de las asperezas superficiales, juega un papel importante en la determinación de la magnitud de la fricción estática. ^[1]${\displaystyle \mu =\mu _{\mathrm {s} }\,}$${\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }\,}$

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 con respecto a la otra superficie.${\displaystyle \mu =\mu _{\mathrm {k} }\,}$${\displaystyle \mu _{\mathrm {k} }\,}$${\displaystyle F_{\mathrm {f} }\,}$

Arthur Morin introdujo el término y demostró la utilidad del coeficiente de fricción. ^[12] El coeficiente de fricción es una medida empírica : debe medirse experimentalmente y no se puede encontrar mediante cálculos. ^[24] Las superficies más rugosas tienden a tener valores efectivos más altos. Los coeficientes de fricción tanto estáticos como cinéticos dependen del par de superficies en contacto; para un par de superficies dado, el coeficiente de fricción estática suele ser mayor que el de fricción cinética; en algunos conjuntos, los dos coeficientes son iguales, como teflón sobre teflón.

La 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 el teflón , por ejemplo, puede tener un coeficiente tan bajo como 0.04. Un valor de cero significaría que no hay fricción en absoluto, una propiedad esquiva. El caucho en contacto con otras superficies puede producir coeficientes de fricción de 1 a 2. Ocasionalmente se sostiene que µ es siempre <1, pero esto no es cierto. Mientras que en las aplicaciones más relevantes µ <1, un valor por encima de 1 simplemente implica que la fuerza requerida para deslizar un objeto a lo largo de la superficie es mayor que la fuerza normal de la superficie sobre el objeto. Por ejemplo, las superficies recubiertas de caucho de silicona o caucho acrílico tienen un coeficiente de fricción que puede ser sustancialmente mayor que 1.

Si bien a menudo se afirma que el COF es una "propiedad material", es mejor categorizarlo como una "propiedad del sistema". A diferencia de las propiedades reales de los materiales (como la conductividad, la constante dieléctrica, el límite elástico), el COF para dos materiales cualesquiera depende de las variables del sistema como la temperatura , la velocidad , la atmósfera y también lo que ahora se describe popularmente como tiempos de envejecimiento y envejecimiento; así como sobre las propiedades geométricas de la interfaz entre los materiales, es decir, la estructura de la superficie . ^[1] Por ejemplo, un cobreEl pasador que se desliza contra una placa de cobre gruesa puede tener un COF que varía de 0,6 a bajas velocidades (deslizamiento de metal contra metal) a menos de 0,2 a altas velocidades cuando la superficie de cobre comienza a derretirse debido al calentamiento por fricción. La última velocidad, por supuesto, no determina el COF de forma única; si se aumenta el diámetro del pasador de modo que el calentamiento por fricción se elimine rápidamente, la temperatura desciende, el pasador permanece sólido y el COF se eleva al de una prueba de "baja velocidad". ^{[ cita requerida ]}

Coeficientes de fricción aproximados

Materiales		Fricción estática, ${\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }\,}$		Fricción cinética / deslizante, ${\displaystyle \mu _{\mathrm {k} }\,}$
		Seco y limpio	Lubricado	Seco y limpio	Lubricado
Aluminio	Acero	0,61 [25]		0,47 [25]
Aluminio	Aluminio	1.05-1.35 [25]	0,3 [25]	1,4 [25] -1,5 [26]
Oro	Oro			2,5 [26]
Platino	Platino	1.2 [25]	0,25 [25]	3,0 [26]
Plata	Plata	1.4 [25]	0,55 [25]	1,5 [26]
Cerámica de alúmina	Cerámica de nitruro de silicio				0,004 (húmedo) [27]
BAM (aleación cerámica AlMgB 14 )	Boruro de titanio (TiB 2 )	0,04-0,05 [28]	0.02 [29] [30]
Latón	Acero	0,35-0,51 [25]	0,19 [25]	0,44 [25]
Hierro fundido	Cobre	1.05 [25]		0,29 [25]
Hierro fundido	Zinc	0,85 [25]		0,21 [25]
Hormigón	Caucho	1.0	0,30 (mojado)	0,6-0,85 [25]	0,45-0,75 (húmedo) [25]
Hormigón	Madera	0,62 [25] [31]
Cobre	Vaso	0,68 [32]		0,53 [32]
Cobre	Acero	0,53 [32]		0,36 [25] [32]	0,18 [32]
Vaso	Vaso	0,9-1,0 [25] [32]	0,005-0,01 [32]	0,4 [25] [32]	0,09-0,116 [32]
Líquido sinovial humano	Cartílago humano		0.01 [33]		0,003 [33]
Hielo	Hielo	0,02-0,09 [34]
Polietileno	Acero	0,2 [25] [34]	0,2 [25] [34]
PTFE (teflón)	PTFE (teflón)	0.04 [25] [34]	0.04 [25] [34]		0.04 [25]
Acero	Hielo	0.03 [34]
Acero	PTFE (teflón)	0,04 [25] -0,2 [34]	0.04 [25]		0.04 [25]
Acero	Acero	0,74 [25] -0,80 [34]	0,005-0,23 [32] [34]	0,42-0,62 [25] [32]	0,029-0,19 [32]
Madera	Metal	0,2-0,6 [25] [31]	0,2 (húmedo) [25] [31]	0,49 [32]	0,075 [32]
Madera	Madera	0,25-0,62 [25] [31] [32]	0,2 (húmedo) [25] [31]	0,32-0,48 [32]	0,067-0,167 [32]

En determinadas condiciones, algunos materiales tienen coeficientes de fricción muy bajos. Un ejemplo es el grafito (pirolítico altamente ordenado) que puede tener un coeficiente de fricción por debajo de 0,01. ^[35] Este régimen de fricción ultrabaja se denomina superlubricidad .

Fricción estática

Cuando la masa no se mueve, el objeto experimenta fricción estática. La fricción aumenta a medida que aumenta la fuerza aplicada hasta que el bloque se mueve. Una vez que el bloque se mueve, experimenta una fricción cinética, que es menor que la fricción estática máxima.

La fricción estática es la fricción entre dos o más objetos sólidos que no se mueven entre sí. Por ejemplo, la fricción estática puede evitar que un objeto se deslice por una superficie inclinada. El coeficiente de fricción estática, típicamente denotado como μ _s , suele ser más alto que el coeficiente de fricción cinética. Se considera que la fricción estática surge como resultado de las características de rugosidad superficial en múltiples escalas de longitud en superficies sólidas. Estas características, conocidas como asperezas, están presentes hasta las dimensiones de nanoescala y dan como resultado un verdadero contacto sólido a sólido que existe solo en un número limitado de puntos que representan solo una fracción del área de contacto aparente o nominal. ^[36]La linealidad entre la carga aplicada y el área de contacto real, que surge de la deformación por aspereza, da lugar a la linealidad entre la fuerza de fricción estática y la fuerza normal, encontrada para la fricción típica de tipo Amonton-Coulomb. ^[37]

La fuerza de fricción estática debe superarse mediante una fuerza aplicada antes de que un objeto pueda moverse. La fuerza de fricción máxima posible entre dos superficies antes de deslizar comienza es el producto del coeficiente de fricción estática y la fuerza normal: . Cuando no se produce un deslizamiento, la fuerza de fricción puede tener cualquier valor desde cero hasta . Cualquier fuerza menor que intentar deslizar una superficie sobre la otra se opone a una fuerza de fricción de igual magnitud y dirección opuesta. Cualquier fuerza mayor que${\displaystyle F_{max}=\mu _{\mathrm {s} }F_{n}\,}$${\displaystyle F_{max}\,}$${\displaystyle F_{max}\,}$${\displaystyle F_{max}\,}$supera la fuerza de la fricción estática y hace que se produzca el deslizamiento. En el instante en que ocurre el deslizamiento, la fricción estática ya no es aplicable; la fricción entre las dos superficies se denomina fricción cinética. Sin embargo, se puede observar una aparente fricción estática incluso en el caso de que la verdadera fricción estática sea cero. ^[38]

Un ejemplo de fricción estática es la fuerza que evita que la rueda de un automóvil se resbale cuando rueda por el suelo. Aunque la rueda está en movimiento, el parche de la llanta en contacto con el suelo está estacionario en relación con el suelo, por lo que es una fricción estática en lugar de cinética.

El valor máximo de la fricción estática, cuando el movimiento es inminente, a veces se denomina fricción limitante , ^[39] aunque este término no se usa universalmente. ^[3]

Friccion kinetica

La fricción cinética , también conocida como fricción dinámica o fricción por deslizamiento , ocurre cuando dos objetos se mueven entre sí y se frotan (como un trineo en el suelo). El coeficiente de fricción cinética se denota típicamente como μ _k , y generalmente es menor que el coeficiente de fricción estática para los mismos materiales. ^{[40] [41]} Sin embargo, Richard Feynman comenta que "con metales secos es muy difícil mostrar alguna diferencia". ^[42] La fuerza de fricción entre dos superficies de deslizamiento después comienza es el producto del coeficiente de fricción cinética y la fuerza normal: . Esto es responsable de la amortiguación de Coulomb.${\displaystyle F_{k}=\mu _{\mathrm {k} }F_{n}\,}$de un sistema oscilante o vibrante .

Los nuevos modelos están comenzando a mostrar cómo la fricción cinética puede ser mayor que la fricción estática. ^[43] Ahora se entiende que la fricción cinética, en muchos casos, es causada principalmente por enlaces químicos entre las superficies, en lugar de asperezas entrelazadas; ^[44] sin embargo, en muchos otros casos los efectos de la rugosidad son dominantes, por ejemplo en la fricción entre el caucho y la carretera. ^[43] La rugosidad de la superficie y el área de contacto afectan la fricción cinética de los objetos a micro y nanoescala donde las fuerzas del área de la superficie dominan las fuerzas de inercia. ^[45]

El origen de la fricción cinética a nanoescala se puede explicar por la termodinámica. ^[46] Al deslizarse, se forma una nueva superficie en la parte posterior de un verdadero contacto deslizante, y la superficie existente desaparece en la parte delantera. Dado que todas las superficies involucran la energía superficial termodinámica, se debe trabajar en la creación de la nueva superficie y la energía se libera en forma de calor al remover la superficie. Por lo tanto, se requiere una fuerza para mover la parte posterior del contacto y se libera calor por fricción en la parte delantera.

Ángulo de fricción, θ , cuando el bloque comienza a deslizarse.

Ángulo de fricción

Para conocer el ángulo máximo de fricción estática entre materiales granulares, consulte Ángulo de reposo .

Para ciertas aplicaciones, es más útil definir la fricción estática en términos del ángulo máximo antes del cual uno de los elementos comenzará a deslizarse. A esto se le llama ángulo de fricción o ángulo de fricción . Se define como:

${\displaystyle \tan {\theta }=\mu _{\mathrm {s} }\,}$

donde θ es el ángulo desde la horizontal y µ _s es el coeficiente de fricción estático entre los objetos. ^[47] Esta fórmula también se puede utilizar para calcular µs _a partir de medidas empíricas del ángulo de fricción.

Fricción a nivel atómico

Determinar las fuerzas necesarias para mover átomos entre sí es un desafío en el diseño de nanomáquinas . En 2008, los científicos pudieron por primera vez mover un solo átomo a través de una superficie y medir las fuerzas necesarias. Utilizando un vacío ultra alto y una temperatura cercana a cero (5º K), 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 . ^[48]

Limitaciones del modelo de Coulomb

La aproximación de Coulomb se deriva de los supuestos de que: las superficies están en contacto atómicamente estrecho sólo en una pequeña fracción de su área total; que esta zona de contactoes proporcional a la fuerza normal (hasta la saturación, que tiene lugar cuando toda el área está en contacto atómico); y que la fuerza de fricción es proporcional a la fuerza normal aplicada, independientemente del área de contacto. La aproximación de Coulomb es fundamentalmente una construcción empírica. Es una regla empírica que describe el resultado aproximado de una interacción física extremadamente complicada. El punto fuerte de la aproximación es su sencillez y versatilidad. Aunque la relación entre la fuerza normal y la fuerza de fricción no es exactamente lineal (por lo que la fuerza de fricción no es completamente independiente del área de contacto de las superficies), la aproximación de Coulomb es una representación adecuada de la fricción para el análisis de muchos sistemas físicos.

Cuando las superficies están unidas, la fricción de Coulomb se convierte en una aproximación muy pobre (por ejemplo, la cinta adhesiva resiste el deslizamiento incluso cuando no hay fuerza normal o una fuerza normal negativa). En este caso, la fuerza de fricción puede depender en gran medida del área de contacto. Algunos neumáticos de carreras de arrastre son adhesivos por esta razón. Sin embargo, a pesar de la complejidad de la física fundamental detrás de la fricción, las relaciones son lo suficientemente precisas como para ser útiles en muchas aplicaciones.

Coeficiente de fricción "negativo"

A partir de 2012 ^[update], un solo estudio ha demostrado el potencial de un coeficiente de fricción efectivamente negativo en el régimen de baja carga , lo que significa que una disminución de la fuerza normal conduce a un aumento de la fricción. Esto contradice la experiencia cotidiana en la que un aumento de la fuerza normal conduce a un aumento de la fricción. ^[49] Esto se informó en la revista Nature en octubre de 2012 e involucró la fricción encontrada por un lápiz óptico de microscopio de fuerza atómica cuando se arrastra a través de una hoja de grafeno en presencia de oxígeno adsorbido por grafeno. ^[49]

Simulación numérica del modelo de Coulomb

A pesar de ser un modelo simplificado de fricción, el modelo de Coulomb es útil en muchas aplicaciones de simulación numérica , como sistemas multicuerpo y material granular . Incluso su expresión más simple encapsula los efectos fundamentales de adherencia y deslizamiento que se requieren en muchos casos aplicados, aunque se deben diseñar algoritmos específicos para integrar numéricamente de manera eficiente los sistemas mecánicos con fricción de Coulomb y contacto bilateral o unilateral. ^{[50] [51] [52] [53] [54]} Algunos efectos bastante no lineales , como las llamadas paradojas de Painlevé , pueden encontrarse con la fricción de Coulomb.^[55]

Fricción seca e inestabilidades

La fricción seca puede inducir varios tipos de inestabilidades en los sistemas mecánicos que muestran un comportamiento estable en ausencia de fricción. ^[56] Estas inestabilidades pueden ser causadas por la disminución de la fuerza de fricción con una velocidad de deslizamiento creciente, por la expansión del material debido a la generación de calor durante la fricción (las inestabilidades termoelásticas), o por los efectos dinámicos puros del deslizamiento de dos materiales elásticos. (las inestabilidades de Adams-Martins). Estos últimos fueron descubiertos originalmente en 1995 por George G. Adams y João Arménio Correia Martins para superficies lisas ^{[57] [58]} y luego se encontraron en superficies rugosas periódicas. ^[59]En particular, se cree que las inestabilidades dinámicas relacionadas con la fricción son responsables del chirrido de los frenos y el 'canto' de un arpa de vidrio , ^{[60] [61]} fenómenos que involucran batazos y resbalones, modelados como una caída del coeficiente de fricción con la velocidad. ^[62]

Un caso prácticamente importante es la auto-oscilación de las cuerdas de instrumentos de arco como el violín , violonchelo , zanfona , erhu , etc.

Se ha descubierto una conexión entre la fricción seca y la inestabilidad del aleteo en un sistema mecánico simple, ^[63] mira la película para más detalles.

Las inestabilidades por fricción pueden conducir a la formación de nuevos patrones autoorganizados (o "estructuras secundarias") en la interfaz deslizante, como tribofilms formados in situ que se utilizan para reducir la fricción y el desgaste en los llamados materiales autolubricantes. . ^[64]

Fricción de fluidos

Artículo principal: Viscosidad

La fricción del fluido se produce entre las capas de fluido que se mueven entre sí. Esta resistencia interna al flujo se denomina viscosidad . En términos cotidianos, la viscosidad de un fluido se describe como su "espesor". Por lo tanto, el agua es "fina", que tiene una viscosidad más baja, mientras que la miel es "espesa", que tiene una viscosidad más alta. Cuanto menos viscoso sea el fluido, mayor será su facilidad de deformación o movimiento.

Todos los fluidos reales (excepto los superfluidos ) ofrecen cierta resistencia al cizallamiento y, por lo tanto, son viscosos. Con fines didácticos y explicativos, es útil utilizar el concepto de fluido no viscoso o fluido ideal que no ofrece resistencia al cizallamiento y, por lo tanto, no es viscoso.

Fricción lubricada

Artículo principal: Lubricación

La fricción lubricada es un caso de fricción de fluido en el que un fluido separa dos superficies sólidas. La lubricación es una técnica empleada para reducir el desgaste de una o ambas superficies muy próximas moviéndose entre sí interponiendo una sustancia llamada lubricante entre las superficies.

En la mayoría de los casos, la carga aplicada es transportada por la presión generada dentro del fluido debido a la resistencia viscosa por fricción al movimiento del fluido lubricante entre las superficies. La lubricación adecuada permite un funcionamiento continuo y suave del equipo, con un desgaste leve y sin tensiones excesivas o agarrotamientos en los cojinetes. Cuando la lubricación se descompone, el metal u otros componentes pueden frotarse destructivamente entre sí, causando calor y posiblemente daños o fallas.

Fricción de piel

Artículo principal: Arrastre parasitario

La fricción cutánea surge de la interacción entre el líquido y la piel del cuerpo y está directamente relacionada con el área de la superficie del cuerpo que está en contacto con el líquido. La fricción superficial sigue la ecuación de arrastre y aumenta con el cuadrado de la velocidad.

La fricción de la piel es causada por un arrastre viscoso en la capa límite alrededor del objeto. Hay dos formas de disminuir la fricción de la piel: la primera es dar forma al cuerpo en movimiento para que sea posible un flujo suave, como un perfil aerodinámico. El segundo método consiste en reducir la longitud y la sección transversal del objeto en movimiento tanto como sea posible.

Fricción interna

Artículo principal: Deformación plástica de sólidos

Ver también: Deformación (ingeniería)

La fricción interna es la fuerza que resiste el movimiento entre los elementos que componen un material sólido mientras sufre una deformación .

La deformación plástica en sólidos es un cambio irreversible en la estructura molecular interna de un objeto. Este cambio puede deberse a (o ambos) una fuerza aplicada o un cambio de temperatura. El cambio de forma de un objeto se llama deformación. La fuerza que lo causa se llama estrés .

La deformación elástica en sólidos es un cambio reversible en la estructura molecular interna de un objeto. El estrés no necesariamente causa un cambio permanente. A medida que se produce la deformación, las fuerzas internas se oponen a la fuerza aplicada. Si la tensión aplicada no es demasiado grande, estas fuerzas opuestas pueden resistir completamente la fuerza aplicada, permitiendo que el objeto asuma un nuevo estado de equilibrio y vuelva a su forma original cuando se elimina la fuerza. Esto se conoce como deformación elástica o elasticidad.

Fricción por radiación

Como consecuencia de la presión ligera, Einstein ^[65] en 1909 predijo la existencia de "fricción por radiación" que se opondría al movimiento de la materia. Escribió, “la radiación ejercerá presión en ambos lados de la placa. Las fuerzas de presión ejercidas sobre los dos lados son iguales si la placa está en reposo. Sin embargo, si está en movimiento, se reflejará más radiación en la superficie que está adelante durante el movimiento (superficie frontal) que en la superficie posterior. La fuerza de presión que actúa hacia atrás ejercida sobre la superficie frontal es, por tanto, mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la espalda. Por tanto, como resultante de las dos fuerzas, queda una fuerza que contrarresta el movimiento de la placa y que aumenta con la velocidad de la placa. Llamaremos brevemente a esta resultante 'fricción por radiación' ”.

Otros tipos de fricción

Resistencia a la rodadura

Artículo principal: resistencia a la rodadura

La resistencia a la rodadura es la fuerza que resiste la rodadura de una rueda u otro objeto circular a lo largo de una superficie causada por deformaciones en el objeto o la superficie. Generalmente, la fuerza de la resistencia a la rodadura es menor que la asociada con la fricción cinética. ^[66] Los valores típicos del coeficiente de resistencia a la rodadura son 0,001. ^[67] Uno de los ejemplos más comunes de resistencia a la rodadura es el movimiento de los neumáticos de los vehículos de motor en una carretera , un proceso que genera calor y sonido como subproductos. ^[68]

Fricción de frenado

Cualquier rueda equipada con freno es capaz de generar una gran fuerza de retardo, generalmente con el propósito de reducir la velocidad y detener un vehículo o una pieza de maquinaria giratoria. La fricción de frenado se diferencia de la fricción de rodadura porque el coeficiente de fricción para la fricción de rodadura es pequeño, mientras que el coeficiente de fricción para la fricción de frenado está diseñado para ser grande mediante la elección de materiales para las pastillas de freno .

Efecto triboeléctrico

Artículo principal: efecto triboeléctrico

Frotar materiales diferentes entre sí puede provocar una acumulación de carga electrostática , que puede ser peligrosa si hay gases o vapores inflamables. Cuando la acumulación de electricidad estática se descarga, las explosiones pueden ser causadas por la ignición de la mezcla inflamable.

Fricción de la correa

Artículo principal: fricción de la correa

La fricción de la correa es una propiedad física que se observa a partir de las fuerzas que actúan sobre una correa enrollada alrededor de una polea, cuando se tira de un extremo. La tensión resultante, que actúa en ambos extremos de la correa, puede modelarse mediante la ecuación de fricción de la correa.

En la práctica, la tensión teórica que actúa sobre la correa o cuerda calculada por la ecuación de fricción de la correa se puede comparar con la tensión máxima que la correa puede soportar. Esto ayuda al diseñador de una plataforma de este tipo a saber cuántas veces se debe enrollar la correa o la cuerda alrededor de la polea para evitar que se resbale. Los alpinistas y las tripulaciones de vela demuestran un conocimiento estándar de la fricción de la correa cuando realizan tareas básicas.

Reducir la fricción

Dispositivos

Los dispositivos tales como ruedas, rodamientos de bolas , rodamientos de rodillos , y cojín de aire u otros tipos de cojinetes de fluido pueden cambiar fricción de deslizamiento en un tipo mucho más pequeño de fricción de rodadura.

Muchos materiales termoplásticos como nailon , HDPE y PTFE se utilizan comúnmente en rodamientos de baja fricción . Son especialmente útiles porque el coeficiente de fricción disminuye al aumentar la carga impuesta. ^[69] Para mejorar la resistencia al desgaste, generalmente se especifican grados de peso molecular muy alto para cojinetes de servicio pesado o críticos.

Lubricantes

Una forma común de reducir la fricción es mediante el uso de un lubricante , como aceite, agua o grasa, que se coloca entre las dos superficies, lo que a menudo reduce drásticamente el coeficiente de fricción. La ciencia de la fricción y la lubricación se llama tribología . La tecnología de lubricantes es cuando los lubricantes se mezclan con la aplicación de la ciencia, especialmente a objetivos industriales o comerciales.

La superlubricidad, un efecto descubierto recientemente, se ha observado en el grafito : es la disminución sustancial de la fricción entre dos objetos deslizantes, acercándose a niveles cero. Todavía se disiparía una cantidad muy pequeña de energía de fricción.

Los lubricantes para superar la fricción no siempre necesitan ser fluidos delgados, turbulentos o sólidos en polvo como el grafito y el talco ; En realidad, la lubricación acústica utiliza el sonido como lubricante.

Otra forma de reducir la fricción entre dos partes es superponer una vibración a microescala a una de las partes. Puede ser una vibración sinusoidal como se usa en el corte asistido por ultrasonido o el ruido de vibración, conocido como tramado .

Energía de fricción

De acuerdo con la ley de conservación de la energía , ninguna energía se destruye debido a la fricción, aunque puede perderse en el sistema en cuestión. La energía se transforma de otras formas en energía térmica. Un disco de hockey deslizante se detiene porque la fricción convierte su energía cinética en calor, lo que eleva la energía térmica del disco y la superficie del hielo. Dado que el calor se disipa rápidamente, muchos de los primeros filósofos, incluido Aristóteles , concluyeron erróneamente que los objetos en movimiento pierden energía sin una fuerza impulsora.

Cuando un objeto es empujado a lo largo de una superficie a lo largo de una trayectoria C, la energía convertida en calor viene dada por una integral de línea , de acuerdo con la definición de trabajo.

${\displaystyle E_{th}=\int _{C}\mathbf {F} _{\mathrm {fric} }(\mathbf {x} )\cdot d\mathbf {x} \ =\int _{C}\mu _{\mathrm {k} }\ \mathbf {F} _{\mathrm {n} }(\mathbf {x} )\cdot d\mathbf {x} ,}$

dónde

${\displaystyle \mathbf {F} _{\mathrm {fric} }\,}$ es la fuerza de fricción,

${\displaystyle \mathbf {F} _{\mathrm {n} }\,}$es el vector obtenido al multiplicar la magnitud de la fuerza normal por un vector unitario que apunta contra el movimiento del objeto,

${\displaystyle \mu _{\mathrm {k} }\,}$ es el coeficiente de fricción cinética, que está dentro de la integral porque puede variar de un lugar a otro (por ejemplo, si el material cambia a lo largo del camino),

${\displaystyle \mathbf {x} \,}$ es la posición del objeto.

La energía perdida en un sistema como resultado de la fricción es un ejemplo clásico de irreversibilidad termodinámica .

Trabajo de fricción

En el marco de referencia de la interfaz entre dos superficies, la fricción estática hace no trabajo , porque nunca hay desplazamiento entre las superficies. En el mismo marco de referencia, la fricción cinética siempre está en la dirección opuesta al movimiento y realiza un trabajo negativo . ^[70] Sin embargo, la fricción puede hacer un trabajo positivo en ciertos marcos de referencia . Uno puede ver esto colocando una caja pesada sobre una alfombra y luego tirando de la alfombra rápidamente. En este caso, la caja se desliza hacia atrás con respecto a la alfombra, pero se mueve hacia adelante con respecto al marco de referencia en el que el suelo está estacionario. Por lo tanto, la fricción cinética entre la caja y la alfombra acelera la caja en la misma dirección en que se mueve la caja, haciendotrabajo positivo . ^[71]

El trabajo realizado por fricción puede traducirse en deformación, desgaste y calor que pueden afectar las propiedades de la superficie de contacto (incluso el coeficiente de fricción entre las superficies). Esto puede ser beneficioso como en el pulido . El trabajo de fricción se utiliza para mezclar y unir materiales como en el proceso de soldadura por fricción . Se produce una erosión o desgaste excesivo de las superficies deslizantes acopladas cuando el trabajo debido a las fuerzas de fricción se eleva a niveles inaceptables. Harder partículas de corrosión atrapados entre las superficies de acoplamiento en movimiento relativo ( fretting ) exacerba Desgaste de fuerzas de fricción. Dado que las superficies se desgastan por el trabajo debido a la fricción, el ajuste y el acabado de la superficiede un objeto puede degradarse hasta que ya no funcione correctamente. ^[72] Por ejemplo, el agarrotamiento o la falla del rodamiento pueden resultar de un desgaste excesivo debido al trabajo de fricción.

Aplicaciones

La fricción es un factor importante en muchas disciplinas de la ingeniería .

Transporte

• Los frenos de los automóviles se basan inherentemente en la fricción, lo que ralentiza un vehículo al convertir su energía cinética en calor. Por cierto, dispersar esta gran cantidad de calor de manera segura es un desafío técnico en el diseño de sistemas de frenos. Los frenos de disco se basan en la fricción entre un disco y las pastillas de freno que se aprietan transversalmente contra el disco giratorio. En los frenos de tambor , las zapatas o pastillas de freno se presionan hacia afuera contra un cilindro giratorio (tambor de freno) para crear fricción. Dado que los discos de freno se pueden enfriar de manera más eficiente que los tambores, los frenos de disco tienen un mejor rendimiento de frenado. ^[73]
• La adherencia de los rieles se refiere al agarre que tienen las ruedas de un tren sobre los rieles, consulte Mecánica de contacto por fricción .
• El deslizamiento de la carretera es un factor importante de diseño y seguridad para los automóviles ^[74].
  • La fricción dividida es una condición particularmente peligrosa que surge debido a la fricción variable en ambos lados de un automóvil.
  • La textura de la carretera afecta la interacción de los neumáticos y la superficie de conducción.

Medición

• Un tribómetro es un instrumento que mide la fricción en una superficie.
• Un perfilógrafo es un dispositivo que se utiliza para medir la rugosidad de la superficie del pavimento.

Uso doméstico

• La fricción se utiliza para calentar y encender cerillas (fricción entre la cabeza de una cerilla y la superficie de fricción de la caja de cerillas). ^[75]
• Las almohadillas adhesivas se utilizan para evitar que el objeto se deslice de las superficies lisas al aumentar de manera efectiva el coeficiente de fricción entre la superficie y el objeto.

Ver también

• Dinámica de contacto
• Mecánicos de contacto
• Factor de adherencia
• Plano sin fricción
• Mortificante
• Mecánica no suave
• Rigidez de contacto normal
• Fenómeno stick-slip
• Carga de fricción transitoria
• Efecto triboeléctrico
• Contacto unilateral
• Torque de fricción

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enlaces externos

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• Coeficientes de fricción : tablas de coeficientes, más muchos enlaces
• Medida de la fuerza de fricción
• Physclips: Mecánica con animaciones y videoclips de la Universidad de Nueva Gales del Sur
• Manual CRC de Química y Física - Valores para el coeficiente de fricción
• Fenómenos característicos en la cadena transportadora
• Centro de sinergia de investigación y educación sobre fricción a escala atómica (AFRESH), una organización virtual de ingeniería para que la comunidad de fricción a escala atómica comparta, archive, vincule y discuta datos, conocimientos y herramientas relacionados con la fricción a escala atómica.
• Coeficientes de fricción de varios pares de materiales en atmósfera y vacío .