Fricción

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La fricción es la fuerza que resiste el movimiento relativo de superficies sólidas, capas fluidas y elementos materiales que se deslizan entre sí. Hay varios tipos de fricción:

La fricción seca es una fuerza que se opone al movimiento lateral relativo de dos superficies sólidas en contacto. La fricción seca se subdivide en fricción estática ("fricción estática") entre superficies inmóviles y fricción cinética entre superficies móviles. Con la excepción de la fricción atómica o molecular, la fricción seca generalmente surge de la interacción de las características de la superficie, conocidas como asperezas (ver Figura 1).
La fricción de fluidos describe la fricción entre capas de un fluido viscoso que se mueven entre sí.
La fricción lubricada es un caso de fricción fluida donde un fluido lubricante separa dos superficies sólidas.

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 deformación.

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 piezas de madera para iniciar un fuego. La energía cinética se convierte en energía térmica cada vez 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 en los componentes. La fricción es un componente de la ciencia de la tribología.

La fricción es deseable e importante en el suministro de tracción para 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 en la tracción pueden causar pérdida 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 no sea práctico y requiere el uso de métodos empíricos para el análisis y el desarrollo de la teoría.

La fricción es una fuerza no conservativa: 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. Eran conscientes de las diferencias entre la fricción estática y cinética con Temistio afirmando en el 350 d. C. que "es más fácil promover el movimiento de un cuerpo en movimiento que mover un cuerpo en reposo".

Las leyes clásicas del rozamiento por deslizamiento fueron descubiertas por Leonardo da Vinci en 1493, pionero de la tribología, pero las leyes documentadas en sus cuadernos no fueron publicadas y permanecieron desconocidas. Estas leyes fueron redescubiertas por Guillaume Amontons en 1699 y se conocieron como las tres leyes de fricción seca de Amonton. Amontons presentó la naturaleza de la fricción en términos de irregularidades superficiales y la fuerza requerida para levantar el peso presionando las superficies juntas. Este punto de vista fue desarrollado por Bernard Forest de Bélidor y Leonhard Euler (1750), quienes derivaron el ángulo de reposo de un peso en un plano inclinado y primero distinguieron entre fricción estática y cinética. John Theophilus Desaguliers (1734) fue el primero en reconocer el papel de la adhesión en la fricción.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. 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). Coulomb consideró además la influencia de la velocidad de deslizamiento, la temperatura y la humedad, para 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. El efecto del tiempo de reposo fue explicado por Pieter van Musschenbroek (1762) considerando las superficies de materiales fibrosos, con fibras entrelazadas, 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 sube por el plano inclinado de asperezas sucesivas, ¿por qué entonces no se equilibra descendiendo por la pendiente opuesta? Leslie se mostró igualmente escéptico sobre el papel de la adhesión propuesto por Desaguliers, que en conjunto debería tener la misma tendencia a acelerar que a retardar el movimiento. Desde el punto de vista de Leslie, la fricción debe verse como un proceso dependiente del tiempo de aplanar y presionar las asperezas, lo que crea nuevos obstáculos en lo que antes eran cavidades.

Arthur Jules Morin (1833) desarrolló el concepto de fricción deslizante versus rodante. Osborne Reynolds (1866) derivó la ecuación del flujo viscoso. Esto completó el modelo empírico clásico de fricción (estática, cinética y de fluidos) comúnmente utilizado hoy en día en ingeniería. En 1877, Fleeming Jenkin y JA Ewing investigaron la continuidad entre la fricción estática y cinética.

El enfoque 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. Esta área real de contacto, causada por asperezas, aumenta con la presión. El desarrollo del microscopio de fuerza atómica (ca. 1986) permitió a los científicos estudiar la fricción a escala atómica, demostrando 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 seca son la "fricción estática" ("fricción estática") entre superficies inmóviles y la fricción cinética (a veces llamada fricción deslizante o fricción dinámica) entre superficies móviles.

La fricción de Coulomb, llamada así por Charles-Augustin de Coulomb, es un modelo aproximado utilizado para calcular la fuerza de fricción seca. Se rige por el modelo:

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

dónde

${displaystyle F_{mathrm {f} }}$ es la fuerza de rozamiento que ejerce cada superficie sobre la otra. Es paralelo a la superficie, en dirección opuesta a la fuerza neta aplicada.
$mu$ 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 perpendicularmente (normal) a la superficie.

La fricción de Coulomb ${displaystyle F_{mathrm {f} }}$ puede tomar cualquier valor desde cero hasta ${displaystyle mu F_{mathrm {n} }}$ , y la dirección de la fuerza de fricción contra una superficie es opuesta al movimiento que experimentaría esa 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 causar 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.

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 que se enrosca deslizándose por el hielo experimenta una fuerza cinética que la frena. Para un 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 patinarían y la goma se deslizaría hacia atrás por el pavimento. Tenga en cuenta que no es la dirección de movimiento del vehículo a la que se oponen, sino la dirección de deslizamiento (potencial) entre el neumático y la carretera.

Fuerza normal

La fuerza normal se define como la fuerza neta que comprime dos superficies paralelas, y su dirección es perpendicular a las superficies. En el caso simple de una masa que descansa sobre una superficie horizontal, la única componente de la fuerza normal es la fuerza debida a la gravedad, donde $N=mg,$ . En este caso, las condiciones de equilibrio nos dicen que la magnitud de la fuerza de fricción es cero, ${ estilo de visualización F_ {f} = 0}$ . De hecho, la fuerza de fricción siempre satisface ${displaystyle F_{f}leqmuN}$ , y la igualdad se alcanza solo en un ángulo de rampa crítico (dado por ${ estilo de visualización bronceado ^ {-1} mu}$ ) que es lo suficientemente pronunciado como para iniciar el deslizamiento.

El coeficiente de fricción es una propiedad estructural empírica (medida experimentalmente) que depende solo de varios aspectos de los materiales en contacto, como la rugosidad de la superficie. El coeficiente de fricción no es una función de masa o volumen. 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 propia fuerza de fricción depende de la fuerza normal y, por tanto, de la masa del bloque.

Según la situación, el cálculo de la fuerza normal $norte$ puede incluir otras fuerzas además de la gravedad. Si un objeto está sobre una superficie plana y está sujeto a una fuerza externa que $PAGS$ tiende a hacer que se deslice, entonces la fuerza normal entre el objeto y la superficie es justa ${displaystyle N=mg+P_{y}}$ , donde $miligramos$ es el peso del bloque y $P_{y}$ es la componente hacia abajo de la fuerza externa. Antes del deslizamiento, esta fuerza de fricción es ${displaystyle F_{f}=-P_{x}}$ , donde $P_x$ es la componente horizontal de la fuerza externa. Así, ${displaystyle F_{f}leqmuN}$ en general. El deslizamiento comienza solo después de que esta fuerza de fricción alcanza el valor ${displaystyle F_{f}=muN}$ . Hasta entonces, la fricción es lo que sea necesario para proporcionar equilibrio, por lo que puede tratarse simplemente como una reacción.

Si el objeto está sobre una superficie inclinada, como un plano inclinado, la fuerza normal de la gravedad es menor que $miligramos$ , porque menos fuerza de la gravedad es perpendicular a la cara del plano. La fuerza normal y la fuerza de fricción se determinan en última instancia mediante análisis vectorial, generalmente a través de un diagrama de cuerpo libre.

En general, el proceso para resolver cualquier problema de estática con fricción es tratar tentativamente las superficies en contacto como inamovibles para que se pueda calcular la fuerza de reacción tangencial correspondiente entre ellas. Si esta fuerza de reacción de fricción satisface ${displaystyle F_{f}leqmuN}$ , entonces la suposición tentativa era correcta y es la fuerza de fricción real. De lo contrario, la fuerza de fricción debe establecerse igual a ${displaystyle F_{f}=muN}$ , y luego el desequilibrio de la fuerza resultante determinaría la aceleración asociada con el deslizamiento.

Coeficiente de fricción

El coeficiente de fricción (COF), a menudo simbolizado por la letra griega µ, es un valor escalar adimensional que es igual a la relación entre la fuerza de fricción entre dos cuerpos y la fuerza que los presiona, ya sea durante o al inicio del deslizamiento. El coeficiente de fricción depende de los materiales utilizados; por ejemplo, el hielo sobre el acero tiene un bajo coeficiente de fricción, mientras que el caucho sobre el pavimento tiene un alto coeficiente de fricción. Los coeficientes de fricción oscilan entre casi cero y más de uno. El coeficiente de fricción entre dos superficies de metales similares es mayor que entre dos superficies de metales diferentes; por ejemplo, el latón tiene un mayor coeficiente de fricción cuando se mueve contra el latón, pero menos si se mueve contra el acero o el aluminio.

Para superficies en reposo entre sí, ${ estilo de visualización mu = mu _ { mathrm {s}}}$ , donde ${ estilo de visualización mu _ { mathrm {s}}}$ es el coeficiente de fricción estática. Esto 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 el enlace químico entre los átomos en cada uno de los materiales a granel y entre las superficies del material y cualquier otro. material adsorbido. Se sabe que la fractalidad de las superficies, un parámetro que describe el comportamiento de escalado de las asperezas de la superficie, juega un papel importante en la determinación de la magnitud de la fricción estática.

Para superficies en movimiento relativo ${ estilo de visualización mu = mu _ { mathrm {k}}}$ , donde $mu _{mathrm {k} }$ es el coeficiente de fricción cinética. La fricción de Coulomb es igual a ${displaystyle F_{mathrm {f} }}$ , y la fuerza de fricción en cada superficie se ejerce en la dirección opuesta a su movimiento relativo a la otra superficie.

Arthur Morin introdujo el término y demostró la utilidad del coeficiente de fricción. El coeficiente de fricción es una medida empírica : debe medirse experimentalmente y no se puede encontrar mediante cálculos. Las superficies más rugosas tienden a tener valores efectivos más altos. Tanto los coeficientes de fricción estáticos como los cinéticos dependen del par de superficies en contacto; para un par dado de superficies, 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 siempre es < 1, pero esto no es cierto. Mientras que en las aplicaciones más relevantes μ < 1, un valor superior a 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", se clasifica mejor como una "propiedad del sistema". A diferencia de las propiedades de los materiales reales (como la conductividad, la constante dieléctrica, el límite elástico), el COF de dos materiales 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 desenvejecimiento; así como en las propiedades geométricas de la interfaz entre los materiales, a saber, la estructura de la superficie.Por ejemplo, un pasador de cobre 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 únicamente el COF; si se aumenta el diámetro del pasador para que el calentamiento por fricción se elimine rápidamente, la temperatura desciende, el pasador permanece sólido y el COF aumenta al de una prueba de "baja velocidad". "Coeficiente de fricción: una descripción general: temas de ScienceDirect". Consultado el 9 de mayo de 2022.

Coeficientes de fricción aproximados

{ estilo de visualización mu _ { mathrm {s}}}

Materiales	Fricción estática, ${ estilo de visualización mu _ { mathrm {s}}}$	Fricción cinética/deslizante, $mu _{mathrm {k} },$
seco y limpio	lubricado	seco y limpio	lubricado
Aluminio	Acero	0,61		0.47
Aluminio	Aluminio	1.05–1.35	0.3	1.4 –1.5
Oro	Oro			2.5
Platino	Platino	1.2	0.25	3.0
Plata	Plata	1.4	0,55	1.5
Cerámica de alúmina	Cerámica de nitruro de silicio				0,004 (húmedo)
BAM (aleación cerámica AlMgB ₁₄)	Boruro de titanio (TiB ₂)	0,04–0,05	0.02
Latón	Acero	0,35–0,51	0.19	0.44
Hierro fundido	Cobre	1.05		0.29
Hierro fundido	Zinc	0.85		0.21
Concreto	Goma	1.0	0,30 (húmedo)	0,6–0,85	0,45–0,75 (húmedo)
Concreto	Madera	0,62
Cobre	Vidrio	0,68		0,53
Cobre	Acero	0,53		0.36	0.18
Vidrio	Vidrio	0,9–1,0	0,005–0,01	0.4	0,09–0,116
líquido sinovial humano	cartílago humano		0.01		0.003
Hielo	Hielo	0,02–0,09
Polietileno	Acero	0.2	0.2
PTFE (teflón)	PTFE (teflón)	0.04	0.04		0.04
Acero	Hielo	0.03
Acero	PTFE (teflón)	0,04 −0,2	0.04		0.04
Acero	Acero	0,74 −0,80	0,005–0,23	0,42–0,62	0,029–0,19
Madera	Metal	0,2–0,6	0,2 (húmedo)	0.49	0.075
Madera	Madera	0,25–0,62	0,2 (húmedo)	0,32–0,48	0,067–0,167

Bajo ciertas condiciones, algunos materiales tienen coeficientes de fricción muy bajos. Un ejemplo es el grafito (pirolítico altamente ordenado) que puede tener un coeficiente de fricción inferior a 0,01. Este régimen de fricción ultrabaja se denomina superlubricidad.

Fricción estática

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, normalmente indicado 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 de la superficie en múltiples escalas de longitud en superficies sólidas. Estas características, conocidas como asperezas, están presentes hasta dimensiones de escala nanométrica y dan como resultado un verdadero contacto de sólido a sólido que existe solo en un número limitado de puntos que representan solo una fracción del área de contacto aparente o nominal.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, que se encuentra para la fricción típica de tipo Amonton-Coulomb.

La fuerza de fricción estática debe ser superada por una fuerza aplicada antes de que un objeto pueda moverse. La fuerza de fricción máxima posible entre dos superficies antes de que comience el deslizamiento es el producto del coeficiente de fricción estática y la fuerza normal: ${displaystyle F_{text{máx}}=mu _{mathrm {s} }F_{text{n}}}$ . Cuando no se produce deslizamiento, la fuerza de fricción puede tener cualquier valor desde cero hasta ${displaystyle F_{text{máximo}}}$ . Cualquier fuerza menor que ${displaystyle F_{text{máximo}}}$ intentar deslizar una superficie sobre la otra se opone a una fuerza de fricción de igual magnitud y dirección opuesta. Cualquier fuerza mayor que ${displaystyle F_{text{máximo}}}$ vence 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 fricción estática aparente incluso en el caso en que la fricción estática verdadera sea cero.

Un ejemplo de fricción estática es la fuerza que evita que la rueda de un automóvil se deslice mientras 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. Al deslizarse, la fricción de la rueda cambia a fricción cinética. Un sistema de frenos antibloqueo funciona según el principio de permitir que una rueda bloqueada vuelva a girar para que el automóvil mantenga la fricción estática.

El valor máximo de fricción estática, cuando el movimiento es inminente, a veces se denomina fricción límite, aunque este término no se usa universalmente.

Friccion kinetica

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

Los nuevos modelos están comenzando a mostrar cómo la fricción cinética puede ser mayor que la fricción estática. Ahora se entiende que la fricción cinética, en muchos casos, es causada principalmente por la unión química entre las superficies, en lugar de asperezas entrelazadas; sin embargo, en muchos otros casos los efectos de rugosidad son dominantes, por ejemplo, en la fricción entre el caucho y la carretera. 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.

El origen de la fricción cinética a nanoescala puede explicarse mediante la termodinámica. 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 gastar trabajo para crear la nueva superficie y la energía se libera en forma de calor al quitar 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

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} }}

y por lo tanto:

{displaystyle theta =arctan {mu _{mathrm {s} }}}

donde $theta$ es el ángulo desde la horizontal y μ _s es el coeficiente estático de fricción entre los objetos. Esta fórmula también se puede utilizar para calcular μ _s a partir de mediciones empíricas del ángulo de fricción.

Fricción a nivel atómico

Determinar las fuerzas requeridas para mover átomos entre sí es un desafío en el diseño de nanomáquinas. En 2008, los científicos pudieron mover por primera vez un solo átomo a través de una superficie y medir las fuerzas requeridas. Utilizando un vacío ultraalto y una temperatura cercana a cero (5 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.

Limitaciones del modelo de Coulomb

La aproximación de Coulomb se deriva de las suposiciones de que: las superficies están en contacto atómico cercano solo en una pequeña fracción de su área total; que esta área de contacto es proporcional a la fuerza normal (hasta la saturación, que se produce 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. La fuerza de la aproximación es su simplicidad y versatilidad. Aunque la relación entre la fuerza normal y la fuerza de rozamiento no es exactamente lineal (y por tanto la fuerza de rozamiento no es completamente independiente del área de contacto de las superficies),

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 una fuerza normal o una fuerza normal negativa). En este caso, la fuerza de fricción puede depender mucho del área de contacto. Algunos neumáticos de carreras de resistencia son adhesivos por este motivo. Sin embargo, a pesar de la complejidad de la física fundamental detrás de la fricción, las relaciones son lo suficientemente precisas para ser útiles en muchas aplicaciones.

Coeficiente de fricción "negativo"

A partir de 2012, un solo estudio ha demostrado el potencial de un coeficiente de fricción efectivamente negativo en el régimen de carga baja, lo que significa que una disminución en la fuerza normal conduce a un aumento en la fricción. Esto contradice la experiencia cotidiana en la que un aumento de la fuerza normal conduce a un aumento de la fricción. 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 en grafeno.

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. Algunos efectos bastante no lineales, como las llamadas paradojas de Painlevé, pueden encontrarse con la fricción de Coulomb.

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. Estas inestabilidades pueden ser causadas por la disminución de la fuerza de fricción con una velocidad creciente de deslizamiento, por la expansión del material debido a la generación de calor durante la fricción (las inestabilidades termoelásticas), o por efectos dinámicos puros del deslizamiento de dos materiales elásticos (las inestabilidades de Adams). –Inestabilidades de Martins). Estos últimos fueron descubiertos originalmente en 1995 por George G. Adams y João Arménio Correia Martins para superficies lisas y luego se encontraron en superficies rugosas periódicas. 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.fenómenos que involucran adherencia y deslizamiento, modelados como una caída del coeficiente de fricción con la velocidad.

Un caso prácticamente importante es la autooscilación de las cuerdas de los instrumentos de arco como el violín, violonchelo, organillo, erhu, etc.

Se ha descubierto una conexión entre la fricción seca y la inestabilidad del aleteo en un sistema mecánico simple; mire la película para obtener más detalles.

Las inestabilidades friccionales pueden conducir a la formación de nuevos patrones autoorganizados (o "estructuras secundarias") en la interfaz deslizante, como tribopelículas formadas in situ que se utilizan para reducir la fricción y el desgaste en los llamados materiales autolubricantes..

Fricción de fluidos

La fricción de fluidos ocurre entre capas de fluidos 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". Así, el agua es "diluida", teniendo una viscosidad más baja, mientras que la miel es "espesa", teniendo una viscosidad más alta. Cuanto menos viscoso es el fluido, mayor es 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 corte y, por lo tanto, no es viscoso.

Fricción lubricada

La fricción lubricada es un caso de fricción fluida donde un fluido separa dos superficies sólidas. La lubricación es una técnica empleada para reducir el desgaste de una o ambas superficies en estrecha proximidad moviéndose entre sí mediante la interposición de 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 suave y continuo del equipo, con un desgaste leve y sin tensiones excesivas ni agarrotamientos en los cojinetes. Cuando la lubricación falla, el metal u otros componentes pueden rozarse destructivamente entre sí, causando calor y posiblemente daños o fallas.

Fricción de piel

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

La fricción de la piel es causada por el 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 disminuir la longitud y la sección transversal del objeto en movimiento tanto como sea posible.

Fricción interna

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

La deformación plástica en sólidos es un cambio irreversible en la estructura molecular interna de un objeto. Este cambio puede deberse a una fuerza aplicada (oa ambos) o a un cambio de temperatura. El cambio de forma de un objeto se llama tensión. 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 por completo la fuerza aplicada, lo que permite 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 de la luz, Einstein en 1909 predijo la existencia de un "rozamiento 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 en 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 más 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 lo tanto, mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la parte posterior. Por lo tanto, como la resultante de las dos fuerzas, queda una fuerza que contrarresta el movimiento de la placa y que aumenta con la velocidad de la placa. A esta resultante la llamaremos 'rozamiento por radiación' en breve".

Otros tipos de fricción

Resistencia a la rodadura

La resistencia al rodamiento es la fuerza que resiste el rodamiento 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. Los valores típicos para el coeficiente de resistencia a la rodadura son 0,001. 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.

Fricción de frenado

Cualquier rueda equipada con un freno es capaz de generar una gran fuerza de retardo, generalmente con el fin de reducir la velocidad y detener un vehículo o una pieza de maquinaria giratoria. La fricción de frenado difiere 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 según la elección de los materiales para las pastillas de freno.

Efecto triboeléctrico

Frotar materiales diferentes entre sí puede causar una acumulación de carga electrostática, lo que puede ser peligroso si hay gases o vapores inflamables presentes. Cuando la acumulación estática se descarga, pueden producirse explosiones por ignición de la mezcla inflamable.

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, se puede representar mediante la ecuación de fricción de la correa.

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

Reduciendo la fricción

Dispositivos

Dispositivos tales como ruedas, cojinetes de bolas, cojinetes de rodillos y cojinetes de aire u otros tipos de cojinetes de fluidos pueden cambiar la fricción deslizante en un tipo mucho más pequeño de fricción rodante.

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

Lubricantes

Una forma común de reducir la fricción es usar 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 tienen que ser fluidos turbulentos o sólidos en polvo como el grafito y el talco; la lubricación acústica en realidad utiliza el sonido como lubricante.

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

Energía de fricción

De acuerdo con la ley de conservación de la energía, no se destruye energía 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 que se desliza 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 un camino C, la energía convertida en calor viene dada por una integral de línea, de acuerdo con la definición de trabajo ${displaystyle E_{th}=int_{C}mathbf {F}_{mathrm {fric} }(mathbf {x})cdot dmathbf {x} =int_{C} mu _{mathrm {k} } mathbf {F}_{mathrm {n} }(mathbf {x})cdot dmathbf {x},}$

dónde

${displaystyle mathbf {F}_{mathrm {fric} }}$ es la fuerza de fricción,
${ estilo de visualización mathbf {F} _ { mathrm {n}}}$ es el vector obtenido al multiplicar la magnitud de la fuerza normal por un vector unitario que apunta contra el movimiento del objeto,
$mu _{mathrm {k} }$ 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 de la trayectoria),
$mathbf{x}$ es la posición del objeto.

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

Trabajo de friccion

En el marco de referencia de la interfaz entre dos superficies, la fricción estática no realiza trabajo, porque nunca hay desplazamiento entre las superficies. En el mismo marco de referencia, la fricción cinética siempre tiene la dirección opuesta al movimiento y realiza un trabajo negativo. 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 rápidamente de la alfombra. 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 piso 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, realizando un trabajo positivo.

El trabajo realizado por la 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. La erosión o el desgaste excesivos de las superficies deslizantes coincidentes ocurre cuando el trabajo debido a las fuerzas de fricción aumenta a niveles inaceptables. Las partículas de corrosión más duras atrapadas entre las superficies de contacto en movimiento relativo (rozamiento) exacerban el desgaste de las fuerzas de fricción. Como las superficies se desgastan por el trabajo debido a la fricción, el ajuste y el acabado de la superficie de un objeto pueden degradarse hasta que ya no funcione correctamente. Por ejemplo, el agarrotamiento o la falla de los cojinetes puede ser el resultado de un desgaste excesivo debido al trabajo de fricción.

Aplicaciones

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

Transportación

Los frenos de los automóviles se basan inherentemente en la fricción, lo que reduce la velocidad de 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.
La adherencia del riel se refiere al agarre que tienen las ruedas de un tren en los rieles, consulte Mecánica de contacto por fricción.
El resbalamiento de la carretera es un factor importante de diseño y seguridad para los automóviles.
- La fricción dividida es una condición particularmente peligrosa que surge debido a la variación de la fricción 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 fósforos (fricción entre la cabeza de un fósforo y la superficie de fricción de la caja de fósforos).
Las almohadillas adhesivas se utilizan para evitar que el objeto se deslice de las superficies lisas al aumentar efectivamente el coeficiente de fricción entre la superficie y el objeto.

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