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») entre superficies que no se mueven y la fricción cinética (a veces llamada fricción por deslizamiento o fricción dinámica) entre superficies en movimiento.
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:
F f ≤ μ F n, {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \ leq \ mu F _ {\ mathrm {n}},}
donde
La fricción de Coulomb F f {\ displaystyle F _ {\ mathrm {f}} \,} puede tomar cualquier valor desde cero hasta μ F n {\ displaystyle \ mu F _ {\ mathrm {n}} \,} , y la dirección de la fuerza de fricción contra una superficie es opuesta al movimiento que experimentaría la superficie en ausencia de fricción. Por tanto, en el caso estático, la fuerza de fricción es exactamente la que debe ser para evitar el movimiento entre las superficies; equilibra la fuerza neta que tiende a provocar dicho movimiento. En este caso, en lugar de proporcionar una estimación de la fuerza de fricción real, la aproximación de Coulomb proporciona un valor umbral para esta fuerza, por encima del cual comenzaría el movimiento. Esta fuerza máxima se conoce como tracción.
La fuerza de fricción siempre se ejerce en una dirección opuesta al movimiento (por fricción cinética) o al movimiento potencial (por fricción estática) entre las dos superficies. Por ejemplo, una piedra rizada que se desliza por el hielo experimenta una fuerza cinética que la frena. Como ejemplo de movimiento potencial, las ruedas motrices de un automóvil que acelera experimentan una fuerza de fricción que apunta hacia adelante; si no lo hicieran, las ruedas girarían y la goma se deslizaría hacia atrás a lo largo del pavimento. Tenga en cuenta que no es la dirección del movimiento del vehículo a la que se oponen, es la dirección del (potencial) deslizamiento entre el neumático y la carretera.
Fuerza normal
Diagrama de cuerpo libre para un bloque en una rampa. Las flechas son vectores que indican direcciones y magnitudes de fuerzas. N es la fuerza normal, mg es la fuerza de gravedad y Ff es la fuerza de fricción.
La normal La fuerza 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 N = m g {\ 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 función de la masa o el volumen; depende solo del material. Por ejemplo, un bloque de aluminio grande tiene el mismo coeficiente de fricción que un bloque de aluminio pequeño. Sin embargo, la magnitud de la fuerza de fricción en sí depende de la fuerza normal y, por tanto, de la masa del bloque.
Si un objeto está en una superficie nivelada y la fuerza que tiende a hacer que se deslice es horizontal , la fuerza normal N {\ displaystyle N \,} entre el objeto y la superficie es 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 en una superficie inclinada como en un plano inclinado, la fuerza normal es menor, porque menos de la fuerza de gravedad es perpendicular a la cara del plano. Por lo tanto, la fuerza normal y, en última instancia, la fuerza de fricción, se determina mediante análisis vectorial, generalmente mediante un diagrama del cuerpo. Dependiendo de la situación, el cálculo de la fuerza normal puede incluir fuerzas distintas de la gravedad.
Coeficiente de fricción
El El coeficiente de fricción (COF), a menudo simbolizado por la letra griega µ, es un valor escalar adimensional que describe la relación entre la fuerza de fricción entre dos cuerpos y la fuerza que los empuja juntos. El coeficiente de fricción depende de los materiales utilizados; por ejemplo, el hielo sobre acero tiene un bajo coeficiente de fricción, mientras que el caucho sobre pavimento tiene un alto coeficiente de fricción. Los coeficientes de fricción varían desde casi cero hasta más de uno. Es un axioma de la naturaleza de la fricción entre superficies metálicas que es mayor entre dos superficies de metales similares que entre dos superficies de metales diferentes; por lo tanto, el latón tendrá un coeficiente de fricción más alto cuando se mueve contra latón, pero menos si se mueve contra él. acero o aluminio.
Para superficies en reposo entre sí μ = μ s {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}, donde μ s {\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {s}} \,} es el coeficiente de fricción estática. Este suele ser más grande que su contraparte cinética.El coeficiente de fricción estática exhibido por un par de superficies en contacto depende de los efectos combinados de las características de deformación del material y la rugosidad de la superficie, los cuales tienen su origen en la unión química entre átomos en cada uno de los materiales a granel y entre las superficies del material y cualquier material adsorbido. Se sabe que la fractalidad de las superficies, un parámetro que describe el comportamiento de escala de las asperezas superficiales, juega un papel importante en la determinación de la magnitud de la fricción estática.
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. Los coeficientes de fricción tanto estáticos como cinéticos dependen del par de superficies en contacto; para un par de superficies dado, el coeficiente de fricción estática suele ser mayor que el de fricción cinética; en algunos conjuntos, los dos coeficientes son iguales, como teflón sobre teflón.
La mayoría de los materiales secos en combinación tienen valores de coeficiente de fricción entre 0,3 y 0,6. Los valores fuera de este rango son más raros, pero el teflón, por ejemplo, puede tener un coeficiente tan bajo como 0.04. Un valor de cero significaría que no hay fricción en absoluto, una propiedad difícil de alcanzar. El caucho en contacto con otras superficies puede producir coeficientes de fricción de 1 a 2. Ocasionalmente se sostiene que µ es siempre < 1, pero esto no es cierto. Mientras que en las aplicaciones más relevantes µ < 1, un valor 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, el caucho de silicona o las superficies recubiertas de caucho acrílico tienen un coeficiente de fricción que puede ser sustancialmente mayor que 1.
Aunque a menudo se dice que el COF es una «propiedad del material», es mejor categorizarlo como una «propiedad del sistema». A diferencia de las propiedades reales de los materiales (como la conductividad, la constante dieléctrica, el límite elástico), el COF para dos materiales cualesquiera depende de variables del sistema como la temperatura, la velocidad, la atmósfera y también lo que ahora se describe popularmente como tiempos de envejecimiento y envejecimiento; así como sobre las propiedades geométricas de la interfaz entre los materiales, es decir, la estructura de la superficie. 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 fundirse debido al calentamiento por fricción. La última velocidad, por supuesto, no determina el COF de forma única; si se aumenta el diámetro del pasador de modo que el calentamiento por fricción se elimina rápidamente, la temperatura desciende, el pasador permanece sólido y el COF se eleva al de una prueba de «baja velocidad».
Coeficientes de fricción aproximados
En determinadas condiciones, algunos materiales tienen coeficientes de fricción muy bajos. Un ejemplo es el grafito (pirolítico altamente ordenado) que puede tener un coeficiente de fricción por debajo de 0.01. 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 aumenta la fuerza aplicada hasta que el bloque se mueve. Una vez que el bloque se mueve, experimenta una fricción cinética, que es menor que la fricción estática máxima.
La fricción estática es la fricción entre dos o más objetos sólidos que no se mueven en relación con El uno al otro. Por ejemplo, la fricción estática puede evitar que un objeto se deslice por una superficie inclinada. El coeficiente de fricción estática, normalmente indicado como μs, 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 las dimensiones de nanoescala y dan como resultado un verdadero contacto sólido a sólido que existe solo en un número limitado de puntos que representan solo una fracción del área de contacto aparente o nominal. La linealidad entre la carga aplicada y el área de contacto real, que surge de la deformación por aspereza, da lugar a la linealidad entre la fuerza de fricción estática y la fuerza normal, encontrada para la fricción típica de tipo Amonton-Coulomb.
La fuerza de fricción estática debe ser superado 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: F max = μ s F n {\ displaystyle F_ {max} = \ mu _ {\ mathrm {s}} F_ {n} \,}. Cuando no se produce un deslizamiento, la fuerza de fricción puede tener cualquier valor desde cero hasta F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,}.Cualquier fuerza menor que F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} que intente deslizar una superficie sobre la otra se opone a una fuerza de fricción de igual magnitud y dirección opuesta. Cualquier fuerza mayor que F m a x {\ displaystyle F_ {max} \,} supera la fuerza de fricción estática y hace que se produzca un deslizamiento. En el instante en que ocurre el deslizamiento, la fricción estática ya no es aplicable; la fricción entre las dos superficies se llama fricción cinética. Sin embargo, se puede observar una aparente fricción estática incluso en el caso de que la verdadera fricción estática sea cero.
Un ejemplo de fricción estática es la fuerza que evita que la rueda de un automóvil se resbale cuando rueda por el suelo. Aunque la rueda está en movimiento, el parche del neumático en contacto con el suelo está estacionario en relación con el suelo, por lo que es una fricción estática en lugar de cinética.
El valor máximo de fricción estática, cuando el movimiento es inminente, a veces se denomina fricción limitante, aunque este término no se usa universalmente.
Fricción cinética
La fricción cinética, también conocida como fricción dinámica o fricción por deslizamiento, ocurre cuando dos objetos se mueven entre sí y se frotan (como un trineo en el suelo). El coeficiente de fricción cinética se denota típicamente como μk, y generalmente es 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: F k = μ k F n {\ displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n} \,}.
Nuevos modelos están comenzando a mostrar cómo la fricción cinética puede ser mayor que la fricción estática. Se entiende ahora, en muchos casos, que la fricción cinética es causada principalmente por enlaces químicos entre las superficies, más que por asperezas entrelazadas; sin embargo, en muchos otros casos los efectos de la 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 por 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 trabajar en la creación de la nueva superficie y la energía se libera en forma de calor al 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, θ, cuando el bloque comienza a deslizarse.
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:
tan θ = μ s {\ displaystyle \ tan {\ theta} = \ mu _ {\ mathrm {s}} \,}
donde θ es el ángulo desde la horizontal y µs es el coeficiente estático de fricción entre los objetos. Esta fórmula también se puede utilizar para calcular µs a partir de medidas empíricas del ángulo de fricción.
Fricción a nivel atómico
Determinar las fuerzas necesarias para mover átomos entre sí es un desafío en diseñar nanomáquinas. En 2008, los científicos pudieron mover por primera vez un solo átomo a través de una superficie y medir las fuerzas necesarias. Utilizando un vacío ultra alto y una temperatura cercana a cero (5º K), se utilizó un microscopio de fuerza atómica modificado para arrastrar un átomo de cobalto y una molécula de monóxido de carbono a través de superficies de cobre y platino.
Limitaciones del modelo de Coulomb
La aproximación de Coulomb se deriva de los supuestos de que: las superficies están en contacto atómicamente estrecho sólo en una pequeña fracción de su área total; que esta 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. La aproximación de Coulomb es fundamentalmente una construcción empírica. Es una regla general que describe el resultado aproximado de una interacción física extremadamente complicada. El punto fuerte de la aproximación es su sencillez y versatilidad. Aunque la relación entre la fuerza normal y la fuerza de fricción no es exactamente lineal (por lo que la fuerza de fricción no es completamente independiente del área de contacto de las superficies), la aproximación de Coulomb es una representación adecuada de la fricción para el análisis de muchos sistemas físicos.
Cuando las superficies están unidas, la fricción de Coulomb se vuelve una aproximación muy pobre (por ejemplo, la cinta adhesiva resiste el deslizamiento incluso cuando no hay fuerza normal o una fuerza normal negativa). En este caso, la fuerza de fricción puede depender en gran medida del área de contacto. Algunos neumáticos de carreras de resistencia son adhesivos por esta razón. Sin embargo, a pesar de la complejidad de la física fundamental detrás de la fricción, las relaciones son lo suficientemente precisas como para ser útiles en muchas aplicaciones.
Coeficiente de fricción «negativo»
A partir de 2012, un solo El estudio ha demostrado el potencial de un coeficiente de fricción efectivamente negativo en el régimen de baja carga, lo que significa que una disminución de la fuerza normal conduce a un aumento de la fricción. Esto contradice la experiencia cotidiana en la que un aumento de la fuerza normal conduce a un aumento de la fricción. Esto se informó en la revista Nature en octubre de 2012 e involucró la fricción encontrada por un lápiz óptico de microscopio de fuerza atómica cuando se arrastra a través de una hoja de grafeno en presencia de oxígeno adsorbido por grafeno.
Simulación numérica del modelo de Coulomb
A pesar de ser un modelo de fricción simplificado, 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 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 de deslizamiento creciente, por la expansión del material debido a la generación de calor durante la fricción (las inestabilidades termoelásticas), o por los efectos dinámicos puros del deslizamiento de dos materiales elásticos (el Adams -Inestabilidades de Martin). 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 las responsables del chirrido de los frenos y el «canto» de un arpa de vidrio, fenómenos que involucran batazos y resbalones, modelados como una caída del coeficiente de fricción con la velocidad.
Un caso prácticamente importante es la auto-oscilación de las cuerdas de instrumentos de arco como el violín, el violonchelo, la zanfona, el erhu, etc.
Una conexión entre la fricción seca y la inestabilidad del aleteo en un sistema mecánico simple se ha descubierto, mira la película para obtener más detalles.
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.