¿Qué es la fricción estática?
La fricción estática es una fuerza que resiste el movimiento de dos objetos uno contra el otro cuando los objetos están inicialmente en reposo. Un ejemplo simple es un bloque de madera sentado en una rampa: se debe aplicar una fuerza para hacer que el bloque se deslice por la rampa. Otro término, fricción cinética, se aplica a la fuerza que se opone a los objetos que ya se están moviendo uno contra el otro. La fuerza de estas fuerzas se puede calcular y se conoce como el coeficiente de fricción. En situaciones de la vida real, el coeficiente de fricción estática casi siempre es mayor que el de la cinética, pero en experimentos cuidadosamente controlados, donde las superficies de los objetos se han limpiado a fondo, los dos son generalmente los mismos.
Normalmente, a medida que aumenta la fuerza aplicada a un objeto sobre una superficie, la fuerza de fricción estática aumentará inicialmente para que coincida, de modo que el objeto no se mueva. Sin embargo, después de cierto punto, el objeto comenzará a moverse, y en este punto, la fuerza de fricción disminuirá, por lo que se requiere menos fuerza para mantener el objeto en movimiento. Por ejemplo, la fuerza de fricción puede coincidir con la fuerza aplicada hasta 50 newtons - la fuerza se mide en newtons (N) - pero a partir de entonces, puede caer a 40 N. Por lo tanto, se requiere una fuerza de poco más de 50 N para obtener el objeto. en movimiento, pero a partir de entonces, un poco más de 40 N será suficiente.
Cálculo del coeficiente
Los coeficientes de fricción estática se pueden calcular para cualquier material sólido o par de materiales. Por lo tanto, un valor de coeficiente podría aplicarse a madera sobre madera, acero sobre acero o acero sobre madera. Una forma de calcular el valor de un par de materiales es colocar un bloque de un material en una rampa hecha del otro; para un solo material, el bloque y la rampa estarían hechos de la misma sustancia. La pendiente en la rampa se incrementa gradualmente, hasta que el bloque se desliza hacia abajo. El ángulo en el que esto sucede puede usarse para calcular el coeficiente de fricción estática.
El coeficiente, cuando se usa en fórmulas y ecuaciones, recibe el símbolo μ, la letra griega mu. Por lo general, se utiliza un subíndice para distinguir los dos: μ s indica fricción estática, mientras que μ k significa fricción cinética. Por ejemplo, el μ s para acero sobre acero es 0.74, mientras que el μ k para este material es 0.57. Estos valores son para situaciones típicas de la vida real y pueden variar un poco, según las circunstancias. Dado que el valor de μs puede verse afectado por irregularidades en la superficie, suciedad y trazas de otras sustancias, el valor de μk se considera más preciso y es el que generalmente se da cuando se requiere un coeficiente de fricción simple.
Factores que afectan la fricción
Varios factores contribuyen a la fricción estática, pero generalmente el más importante es la rugosidad de las superficies. Incluso cuando se suavizan, los diferentes materiales variarán en términos de los detalles finos de sus superficies. En términos prácticos, ninguna superficie es completamente lisa, pero algunas tendrán irregularidades mayores que otras. La diferencia es obvia, en algunos casos: por ejemplo, una sábana de seda tiene una textura muy suave que crea menos fricción, mientras que una carretera de asfalto seco es gruesa y genera más resistencia al movimiento. Otros factores incluyen la atracción electrostática y los tipos de enlaces químicos débiles que pueden formarse entre las superficies.
Ejemplos
Muchas personas están familiarizadas con la fricción estática, ya que la encuentran casi a diario; por ejemplo, está en el trabajo cuando alguien desliza un libro sobre una mesa. Inicialmente, se necesita ejercer una pequeña cantidad de fuerza para que el libro se mueva, pero una vez que se mueve, entra en juego la fricción cinética, y se requerirá menos esfuerzo para moverlo. La cantidad de fuerza requerida puede variar según las circunstancias. Por ejemplo, si un libro tiene una cubierta de biblioteca y se humedeció, el libro mojado requerirá más fuerza para moverse, mientras que un libro de bolsillo nuevo podría deslizarse muy fácilmente sobre una mesa de madera seca con una superficie barnizada.
Las tablas de coeficientes de fricción estática y cinética están disponibles para muchos materiales comunes y combinaciones de los mismos. Un valor más alto indica una mayor fricción, por lo que se necesita aplicar más fuerza para causar movimiento. Por ejemplo, el μs para aluminio sobre aluminio es 1.05 - 1.35, que es muy alto, mientras que el valor para politetrafluoroetileno (PTFE) en PTFE es 0.04, que es extremadamente bajo y lo hace muy resbaladizo. Es difícil poner en movimiento un automóvil detenido debido a la fricción intencional entre los neumáticos y el suelo; esto le permite al conductor más control y hace que el auto sea menos propenso a patinar.
Cálculo de la distancia de frenado
Un ejemplo de la aplicación de la fricción estática es el cálculo de la distancia de frenado para un automóvil a una velocidad dada y en condiciones particulares. En circunstancias normales, cuando los neumáticos giran en la carretera, se aplica fricción estática, en lugar de cinética. Los μs para un neumático seco en una carretera seca es de aproximadamente 1.00, mientras que el valor para un neumático mojado en una carretera mojada es de solo 0.2, esto significa que la distancia de rotura será cinco veces mayor en condiciones húmedas. En condiciones secas, un automóvil que viaja a 50 kilómetros por hora (31 millas por hora) tiene una distancia de frenado de 10 metros (33 pies), mientras que en condiciones húmedas, la distancia de frenado sería de 50 metros (164 pies). Cuando los neumáticos se deslizan, en lugar de rodar, a lo largo de la superficie, como podría ser el caso en condiciones de hielo, lo importante es la fricción cinética.