MECÁNICA CLÁSICA

La fricción es la fuerza que resiste el movimiento relativo de las superficies sólidas, las capas de fluidos y los 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. La fricción seca se subdivide en fricción estática (" sticción ") entre las superficies que no se mueven y la fricción cinética entre las superficies en movimiento. 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
• La fricción fluida describe la fricción entre las capas de un fluido viscoso que se mueven unas respecto a otras. ^[3] [4]

• La fricción lubricada es un caso de fricción del fluido donde 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 forman un material sólido mientras sufre 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 pedazos de madera para iniciar un incendio. 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 conducir a 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 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 seaimpráctico 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, algo de energía siempre se pierde en forma de calor. Así, 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 en el año 350 dCque "es más fácil avanzar el movimiento de un cuerpo en movimiento que mover un cuerpo en reposo". ^{[8] [9] [10] [11]}

Las leyes clásicas de 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 fricción seca de Amonton (a continuación) . Amontons presentó la naturaleza de la fricción en términos de irregularidades de la superficie y la fuerza requerida para elevar el peso al presionar las superficies. Esta visión fue elaborada por Bernard Forest de Bélidor ^[19] yLeonhard Euler (1750), quien derivó el ángulo de reposo de un peso en un plano inclinado y distinguió por primera vez entre la 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 entre sí; propuso que la fricción era la fuerza necesaria para desgarrar las superficies adheridas.

Charles-Augustin de Coulomb (1785) desarrolló la comprensión de la fricción . ^[22] Coulomb investigó la influencia de cuatro factores principales en la fricción: la naturaleza de los materiales en contacto y sus recubrimientos superficiales; la extensión de la superficie; la presión normal (o carga); 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, para decidir entre las diferentes explicaciones sobre la naturaleza de la fricción que se había 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 elaborada 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 los materiales fibrosos, con fibras unidas entre sí, lo que toma 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 está dibujando en el plano inclinado de las asperidades sucesivas , ¿por qué entonces no se equilibra descendiendo la pendiente opuesta? Leslie era igualmente escéptica 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] Desde el punto de vista de Leslie, la fricción debe verse como un proceso dependiente del tiempo de aplanamiento y presión hacia abajo, lo que crea nuevos obstáculos en lo que antes eran cavidades.

Arthur Jules Morin (1833) desarrolló el concepto de fricción de deslizamiento versus rodamiento. Osborne Reynolds (1866) derivó la ecuación del flujo viscoso. Esto completó el modelo empírico clásico de fricción (estático, cinético y fluido) que se usa comúnmente en la actualidad en ingeniería. ^[13] En 1877, Fleeming Jenkiny JA Ewing investigaron la continuidad entre la fricción estática y cinética. ^[23]

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 las 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 (ca. 1986) permitió a los científicos estudiar la fricción a escala atómica , ^[13] lo que demuestra que, en esa escala, la fricción seca es el producto del esfuerzo de corte inter-superficiey 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 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 de contacto aparente.
• 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' (" sticción ") entre las superficies que no se mueven y la fricción cinética(a veces llamada fricción deslizante o fricción dinámica) entre las superficies en movimiento.

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

$${\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}},}

dónde

• $${\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,}Es la fuerza de fricción ejercida por cada superficie sobre la otra. Es paralelo a la superficie, en una dirección opuesta a la fuerza neta aplicada.
• $${\ 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 $${\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} puede tomar cualquier valor desde cero hasta $${\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,}y la dirección de la fuerza de fricción contra una superficie es opuesta al movimiento que la superficie experimentaría en ausencia de fricción. Por lo tanto, en el caso estático, la fuerza de fricción es exactamente lo que debe ser para evitar el movimiento entre las superficies; equilibra la fuerza neta que tiende a causar tal movimiento. En este caso, en lugar de proporcionar una estimación de la fuerza de fricción real, la aproximación de Coulomb proporciona un valor de 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 fricción cinética) o al movimiento potencial (para fricción estática) entre las dos superficies. Por ejemplo, una piedra rizada que sedesliza a lo largo del hielo experimenta una fuerza cinética que la ralentiza. Para un ejemplo de movimiento potencial, las ruedas motrices de un automóvil acelerado experimentan una fuerza de fricción que apunta hacia adelante; si no lo hicieran, las ruedas giraban y la goma se deslizaba hacia atrás a lo largo del pavimento. Tenga en cuenta que no es la dirección de movimiento del vehículo al que se oponen, es la dirección de (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, mges 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$${\ displaystyle N = mg \,}. 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 una 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 depende de la fuerza normal y, por lo tanto, de la masa del bloque.

Si un objeto está en una superficie nivelada y la fuerza que tiende a hacer que se deslice es horizontal, la fuerza normal$${\ displaystyle N \,}entre el objeto y la superficie está solo su peso, que es igual a su masa multiplicada por la aceleración debida a la gravedad de la tierra, g . Si el objeto está sobre una superficie inclinada , como un plano inclinado, la fuerza normal es menor, ya que una menor cantidad de la fuerza de la gravedad es perpendicular a la cara del plano. Por lo tanto, la fuerza normal, y finalmente la fuerza de fricción, se determina mediante el análisis vectorial , generalmente a través de un diagrama de cuerpo libre . Dependiendo de la situación, el cálculo de la fuerza normal puede incluir fuerzas distintas de la gravedad.

Coeficiente de fricción

El coeficiente de fricción (COF), a menudo simbolizado por la letra griega µ , es un escalar adimensional. valor que describe la relación de la fuerza de fricción entre dos cuerpos y la fuerza que los presiona juntos. 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 van desde cerca de cero a 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 diferentes metales; por lo tanto, el latón tendrá un mayor coeficiente de fricción cuando se mueve contra el latón, pero menos si se mueve contra Acero o aluminio. ^[24]

Para superficies en reposo relativas entre sí. $${\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, dónde $${\ displaystyle \ 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 , las cuales tienen su origen en la unión química entre los átomos en cada uno de los materiales a granel y entre las superficies del material y cualquiera material adsorbido . Se sabe que la fractalidad de las superficies, un parámetro que describe el comportamiento de escala de las asperidades de la superficie, desempeña un papel importante en la determinación de la magnitud de la fricción estática. ^[1]

Para superficies en movimiento relativo. $${\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {k}} \,}, dónde $${\ displaystyle \ 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 en relación con la otra superficie.

Arthur Morin introdujo el término y demostró la utilidad del coeficiente de fricción. ^[12] El coeficiente de fricción es una medida empírica : tiene que medirse experimentalmente y no se puede encontrar a través de cálculos. ^{[ cita requerida ]} 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 la fricción cinética; en algunos conjuntos, los dos coeficientes son iguales, como teflon-on-teflon.

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 generar coeficientes de fricción de 1 a 2. En ocasiones, se mantiene que µ siempre es <1 cierto.="" es="" esto="" font="" nbsp="" no="" pero="">Mientras que en la mayoría de las aplicaciones relevantes µ <1 1="" a="" de="" deslizar="" el="" encima="" es="" font="" fuerza="" implica="" la="" largo="" lo="" mayor="" nbsp="" normal="" objeto.="" objeto="" para="" por="" que="" requerida="" simplemente="" sobre="" superficie="" un="" valor="">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 verdaderas propiedades de los materiales (como la conductividad, la constante dieléctrica, la resistencia a la fluencia), el COF para cualquiera de los 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 desintegración; así como en las propiedades geométricas de la interfaz entre los materiales, a saber, la estructura de la superficie . ^[1] Por ejemplo, un cobre.el pasador que se desliza contra una placa de cobre gruesa puede tener un COF que varía de 0.6 a bajas velocidades (metal que se desliza contra el metal) a menos de 0.2 a altas velocidades cuando la superficie de cobre comienza a fundirse debido al calentamiento por fricción. La última velocidad, por supuesto, no determina el COF únicamente; Si se aumenta el diámetro del pasador para que el calentamiento por fricción se elimine rápidamente, la temperatura descienda, el pasador permanezca sólido y el COF se eleva al de una prueba de "baja velocidad". ^{[ cita requerida ]}

Coeficientes aproximados de fricción.

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		0.47 [25]
Aluminio	Aluminio			1.5 [26]
Oro	Oro			2.5 [26]
Platino	Platino			3,0 [26]
Plata	Plata			1.5 [26]
Cerámica de alúmina	Nitruro de silicio cerámico				0.004 (mojado)[27]
BAM (aleación de 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		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 (mojado) [25]
Hormigón	Madera	0.62 [31]
Cobre	Vaso	0.68
Cobre	Acero	0,53		0.36 [25]
Vaso	Vaso	0.9-1.0 [25]		0.4 [25]
Líquido sinovial humano	Cartílago		0.01 [32]		0.003 [32]
Hielo	Hielo	0.02-0.09[33]
Polietileno	Acero	0.2 [25] [33]	0.2 [25] [33]
PTFE (teflón)	PTFE (teflón)	0.04 [25] [33]	0.04 [25] [33]		0.04 [25]
Acero	Hielo	0.03 [33]
Acero	PTFE (teflón)	0.04 [25]-0.2 [33]	0.04 [25]		0.04 [25]
Acero	Acero	0,74 [25]-0,80 [33]	0.16 [33]	0.42-0.62[25]
Madera	Metal	0.2–0.6[25] [31]	0.2 (mojado)[25] [31]
Madera	Madera	0.25–0.5[25] [31]	0.2 (mojado)[25] [31]

Bajo ciertas condiciones algunos materiales tienen coeficientes de fricción muy bajos. Un ejemplo es el grafito (altamente pirolítico ordenado) que puede tener un coeficiente de fricción por debajo de 0.01. ^[34] Este régimen de fricción ultrabaja se llama superlubricidad .

Fricción estática

Cuando la masa no se mueve, el objeto experimenta fricción estática. La fricción aumenta a medida que la fuerza aplicada aumenta hasta que el bloque se mueve. Después de que el bloque se mueve, experimenta 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 , es generalmente 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 nanoescala y dan como resultado un contacto verdadero sólido a sólido que existe solo en un número limitado de puntos y solo representa 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 del tipo Amonton-Coulomb. ^[35]

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:$${\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. Cuando no se produce deslizamiento, la fuerza de fricción puede tener cualquier valor desde cero hasta$${\ displaystyle F_ {max} \,}. Cualquier fuerza menor que$${\ displaystyle F_ {max} \,}El intento de deslizar una superficie sobre la otra se opone a una fuerza de fricción de igual magnitud y dirección opuesta. Cualquier fuerza mayor que$${\ displaystyle F_ {max} \,}supera la fuerza de la fricción estática y hace que ocurra deslizamiento. El deslizamiento instantáneo ocurre, la fricción estática ya no es aplicable; la fricción entre las dos superficies se denomina fricción cinética.

Un ejemplo de fricción estática es la fuerza que evita que la rueda de un automóvil se deslice al rodar en el suelo. A pesar de que la rueda está en movimiento, el parche del neumático en contacto con el suelo es estacionario en relación con el suelo, por lo que es una fricción estática en lugar de cinética.

El valor máximo de fricción estática, cuando el movimiento es inminente, a veces se denomina fricción limitante, ^[36] aunque este término no se usa universalmente. ^[3]

Friccion kinetica

La fricción cinética , también conocida como fricción dinámica o fricción de deslizamiento , se produce 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 generalmente es menor que el coeficiente de fricción estática para los mismos materiales. ^[37] [38] Sin embargo, Richard Feynman comenta que "con los metales secos es muy difícil mostrar alguna diferencia". ^[39] 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} \,}.

Los nuevos modelos comienzan a mostrar cómo la fricción cinética puede ser mayor que la fricción estática. ^[40]La fricción cinética ahora se entiende, en muchos casos, como causada principalmente por la unión química entre las superficies, en lugar de asperezas entrelazadas; ^[41] sin embargo, en muchos otros casos, los efectos de la rugosidad son dominantes, por ejemplo, en la fricción del caucho en la carretera. ^[40] La rugosidad de la superficie y el área de contacto afectan la fricción cinética para objetos de micro y nanoescala donde las fuerzas del área de la superficie dominan las fuerzas de inercia. ^[42]

El origen de la fricción cinética a nanoescala puede explicarse por la termodinámica. ^[43] Al deslizarse, se forma una nueva superficie en la parte posterior de un contacto verdadero deslizante, y la superficie existente desaparece en la parte frontal. Dado que todas las superficies involucran la energía de la superficie termodinámica, se debe dedicar trabajo a la creación de la nueva superficie, y la energía se libera como calor para eliminar la superficie. Por lo tanto, se requiere una fuerza para mover la parte posterior del contacto, y el calor de fricción se libera en la parte delantera.

Ángulo de fricción ,, 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 de que uno de los elementos comience a deslizarse. Esto se llama el ángulo de fricción o ángulo de fricción . Se define como:

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

donde θ es el ángulo desde horizontal y µ _s es el coeficiente estático de fricción entre los objetos. ^[44] Esta fórmula también se puede usar para calcular µ _{s a} partir de mediciones empíricas del ángulo de fricción.

Fricción a nivel atómico.

Determinar las fuerzas necesarias para mover los átomos entre sí es un desafío en el diseño de las nanomáquinas . En 2008, por primera vez, los científicos pudieron mover un solo átomo a través de una superficie y medir las fuerzas requeridas. Utilizando vacío ultraalto y temperatura casi cero (5º K), se usó un microscopio de fuerza atómica modificada para arrastrar un átomo de cobalto y una molécula de monóxido de carbono a través de las superficies de cobre y platino . ^[45]

Limitaciones del modelo de Coulomb.

La aproximación de Coulomb matemáticamente se deduce de las suposiciones de que las superficies están en contacto estrecho cerca solo en una pequeña fracción de su área total, que esta área de contacto es 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 (puede ver los experimentos de fricción de Leonardo da Vinci). Dejando de lado este razonamiento, sin embargo, la aproximación es fundamentalmente una construcción empírica. Es una regla general que describe el resultado aproximado de una interacción física extremadamente complicada. La fuerza de la aproximación es su simplicidad y versatilidad. Aunque en general la relación entre la fuerza normal y la fuerza de fricción no es exactamente lineal (y, por lo tanto, 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 una fuerza normal o una fuerza normal negativa). En este caso, la fuerza de fricción puede depender fuertemente del área de contacto. Algunos neumáticos de carreras de arrastre 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 como 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. ^[46] Esto se informó en la revista Nature en octubre de 2012 e involucró la fricción encontrada por un lápiz de microscopio de fuerza atómica cuando se arrastra sobre una lámina de grafeno en presencia de oxígeno adsorbido por grafeno. ^[46]

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 de manera eficiente los sistemas mecánicos con la fricción de Coulomb y el contacto bilateral o unilateral. ^{[47] [48] [49] [50] [51]} Algunos efectos no lineales , como las denominadas paradojas de Painlevé , se pueden encontrar con la fricción de Coulomb.^[52]

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. ^[53] Estas inestabilidades pueden ser causadas por la disminución de la fuerza de fricción al aumentar la velocidad de deslizamiento, 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 ^[54] [55] y luego se encontraron en superficies ásperas periódicas. ^[56]En particular, se piensa que las inestabilidades dinámicas relacionadas con la fricción son las responsables del chirrido de los frenos y la "canción" de un arpa de vidrio , ^[57] [58] fenómenos que involucran adherencia y deslizamiento, modelados como una caída del coeficiente de fricción con la velocidad. ^[59]

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

Se ha descubierto una conexión entre la fricción seca y la inestabilidad del aleteo en un sistema mecánico simple, ^{[60] para} ver más detalles de la película .

Las inestabilidades de fricción pueden llevar a la formación de nuevos patrones autoorganizados (o "estructuras secundarias") en la interfaz deslizante, como tribofilms formados in situ que se utilizan para la reducción de la fricción y el desgaste en los llamados materiales autolubricantes . ^[61]

Fricción fluida

Artículo principal: Viscosidad.

La fricción fluida se produce entre las capas de fluido que se mueven unas respecto a otras. 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 "delgada", tiene una viscosidad más baja, mientras que la miel es "gruesa", tiene 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. Para fines didácticos y explicativos, es útil utilizar el concepto de un fluido no viscoso o un fluido idealque 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 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 en movimiento 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 de fricción al movimiento del fluido lubricante entre las superficies. La lubricación adecuada permite un funcionamiento continuo y sin problemas del equipo, con solo un desgaste leve y sin tensiones excesivas o convulsiones en los rodamientos. Cuando se rompe la lubricación, el metal u otros componentes pueden rozarse destructivamente, causando calor y posiblemente daños o fallas.

Fricción de piel

Artículo principal: Arrastre parasitario.

La fricción de la piel 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 de la piel 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 una superficie aerodinámica. El segundo método es disminuir 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 forman 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 ser debido a (o ambos) una fuerza aplicada o un cambio en la temperatura. El cambio de la 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 completamente la fuerza aplicada, lo que permite al objeto asumir un nuevo estado de equilibrio y volver a su forma original cuando se elimina la fuerza. Esto se conoce como deformación elástica o elasticidad.

Friccion de radiacion

Como consecuencia de la presión de la luz, Einstein ^[62] en 1909 predijo la existencia de una "fricción de radiación" que se opondría al movimiento de la materia. Él 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 adelante durante el movimiento (superficie frontal) que en la superficie posterior. La fuerza de presión hacia atrás ejercida sobre la superficie frontal es, por lo tanto, mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la espalda. 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. Llamaremos a esto resultante 'fricción de radiación' en breve ".

Otros tipos de fricción.

Resistencia a la rodadura

Artículo principal: Resistencia a la rodadura.

La resistencia al rodar es la fuerza que resiste el rodar de una rueda u otro objeto circular a lo largo de una superficie causada por deformaciones en el objeto o la superficie. En general, la fuerza de la resistencia a la rodadura es menor que la asociada con la fricción cinética. ^[63] Los valores típicos para el coeficiente de resistencia a la rodadura son 0.001. ^[64] Uno de los ejemplos más comunes de resistencia a la rodadura es el movimiento de neumáticos de vehículos de motor en una carretera , un proceso que genera calor y sonido como subproductos. ^{[sesenta y cinco]}

Fricción de frenado

Cualquier rueda equipada con un freno es capaz de generar una gran fuerza de retardo, generalmente con el propósito de reducir la velocidad y detener un vehículo o 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 al elegir los materiales para las pastillas de freno .

Efecto triboelectrico

Artículo principal: Efecto triboeléctrico.

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

Fricción de la correa

Artículo principal: Cinturón de fricción.

La fricción de la correa es una propiedad física observada por 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 ser modelada por 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 puede compararse con la tensión máxima que la correa puede soportar. Esto ayuda a un diseñador de tal plataforma a saber cuántas veces debe enrollarse la correa o la cuerda alrededor de la polea para evitar que se resbale. Los escaladores de montaña y los equipos de navegación demuestran un conocimiento estándar de la fricción de la banda al realizar tareas básicas.

Reduciendo 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 el nylon , HDPE y PTFE se usan comúnmente en rodamientos de baja fricción . Son especialmente útiles porque el coeficiente de fricción disminuye al aumentar la carga impuesta. ^{[ cita requerida ]} Para mejorar la resistencia al desgaste, los grados de peso molecular muy alto generalmente se especifican para rodamientos de alta resistencia 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 se produce cuando los lubricantes se mezclan con la aplicación de la ciencia, especialmente a los objetivos industriales o comerciales.

Superlubricidad, un efecto recientemente descubierto, se ha observado en el grafito : es la disminución sustancial de la fricción entre dos objetos deslizantes, que se aproxima a los niveles cero. Una cantidad muy pequeña de energía de fricción aún se disiparía.

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

Otra forma de reducir la fricción entre dos partes es superponer la vibración de microescala a una de las partes. Esta puede ser una vibración sinusoidal como la utilizada en el corte asistido por ultrasonido o ruido de vibración, conocido como interpolación .

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 aumenta la energía térmica del disco y la superficie del hielo. Como el calor se disipa rápidamente, muchos de los primeros filósofos, incluido Aristóteles , concluyeron erróneamente que los objetos en movimiento pierden energía sin una fuerza motriz.

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 {fricción}} (\ 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 {fricción}} \,} 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 una ubicación a otra (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 irreversibilidadtermodinámica .

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 está siempre en la dirección opuesta al movimiento y realiza un trabajo negativo . ^[66] Sin embargo, la fricción puede hacer untrabajo 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 relación a la alfombra, pero se mueve hacia adelante con respecto al marco de referencia en el que el piso está estacionario. Así, la fricción cinética entre la caja y la alfombra acelera la caja en la misma dirección que la caja se mueve, haciendotrabajo positivo ^[67]

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 . La erosión excesiva o el desgaste de las superficies deslizantes de acoplamiento se producen 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 ( desgaste ) exacerban el desgaste de las fuerzas de fricción. La incautación o falla del cojinete puede resultar de un desgaste excesivo debido al trabajo de fricción. Como las superficies son desgastadas por el trabajo debido a la fricción, ajuste yel acabado de la superficie de un objeto puede degradarse hasta que deje de funcionar correctamente. ^[68]

Aplicaciones

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

Transporte

• Los frenos de los automóviles se basan inherentemente en la fricción, reduciendo la velocidad de un vehículo al convertir su energía cinética en calor. Incidentalmente, dispersar esta gran cantidad de calor de manera segura es un desafío técnico en el diseño de sistemas de frenos. Los frenos de disco dependen de la fricción entre un disco y las pastillas de freno que se aprietan transversalmente contra el disco giratorio. En frenos de tambor , las zapatas de freno o las pastillas se presionan hacia afuera contra un cilindro giratorio (tambor de freno) para crear fricción. Como los discos de frenado se pueden enfriar más eficientemente que los tambores, los frenos de disco tienen un mejor rendimiento de parada. ^[69]
• La adherencia del riel se refiere a las ruedas de agarre de un tren en los rieles, ver Mecánica de contacto de fricción .
• El deslizamiento de las carreteras es un factor importante de diseño y seguridad para los automóviles ^[70]
  • La fricción dividida es una condición particularmente peligrosa que surge debido a la fricción variable en cada lado de un automóvil.
  • La textura del camino 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 profilógrafo es un dispositivo utilizado para medir la rugosidad de la superficie del pavimento.

Uso del hogar

• 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). ^[71]
• Las almohadillas adhesivas se utilizan para evitar que el objeto se resbale de las superficies lisas a
• l aumentar efectivamente el coeficiente de fricción entre la superficie y el objeto.