Fricción

Física - Fuerzas

Objetivos:

Luego de estudiada esta lección podrás:

• Explicar como ocurre la fuerza de fricción. 
•  Comparar y contrastar la fuerza de fricción estática y cinética.

 http://www.slimfilms.com/graphics/8friction.jpeg

Definición:

La fricción es una fuerza de contacto que actúa para oponerse al movimiento deslizante entre superficies.  Actúa paralela a la superficie y opuesta al sentido del deslizamiento.  Se denomina como F_{f .}  La fuerza de fricción también se le conoce como fuerza de rozamiento.

Contenido: 

La fricción ocurre cuando dos objetos se deslizan entre sí o tienden a deslizarse.    Cuando un cuerpo se mueve sobre una superficie o a través de un medio viscoso, como el aire o el agua, hay una resistencia al movimiento debido a que el cuerpo interactúa con sus alrededores.  Dicha resistencia recibe también el nombre de fricción.  Podemos observar el siguiente ejemplo:

Observa que el hombre realiza una fuerza sobre el objeto a la cual llamamos fuerza de empuje, también podemos llamarle fuerza aplicada.  Podemos asumir que el objeto se desliza a la derecha, sin que haya rotación.  La dirección de la fuerza, también es a la derecha, mientras que la fricción se dirige a la izquierda.  En otras palabras la fuerza de fricción actúa  paralela a la superficie y en contra del movimiento.

La forma general de escribir la ecuación para la fuerza de fricción es de la siguiente manera:

donde F_f  es la fuerza de fricción mientras que μ es el coeficiente de fricción

Fricción estática

F_f=μ_sF_N

Fricción cinética

F_f=μ_kF_N

Coeficientes de fricción:

Coeficientes de rozamiento de algunas sustancias
Materiales en contacto	Fricción estática	Fricción cinética
Hielo // Hielo	0.1	0.03
Vidrio // Vidrio	0.9	0.4
Vidrio // Madera	0.25	0.2
Madera // Cuero	0.4	0.3
Madera // Piedra	0.7	0.3
Madera // Madera	0.4	0.3
Acero // Acero	0.74	0.57
Acero // Hielo	0.03	0.02
Acero // Latón	0.5	0.4
Acero // Teflón	0.04	0.04
Teflón // Teflón	0.04	0.04
Caucho // Cemento (seco)	1.0	0.8
Caucho // Cemento (húmedo)	0.3	0.25
Cobre // Hierro (fundido)	1.1	0.3
Esquí (encerado) // Nieve (0ºC)	0.1	0.05
Articulaciones humanas	0.01	0.003

Obtenido de "http://es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/Est%C3%A1tica/Rozamiento"

Energía Cinética (Ec)

Cuerpo en movimiento.

Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo.

Para que un cuerpo adquiera energía cinética o de movimiento; es decir, para ponerlo en movimiento, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor.

Otro factor que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo.

Por ejemplo, si una bolita de vidrio de 5 gramos de masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 2 km / h no se hará ningún esfuerzo por esquivarla. Sin embargo, si con esa misma velocidad avanza hacia nosotros un camión, no se podrá evitar la colisión.

La fórmula que representa  la Energía Cinética es la siguiente:

E c   =   1 / 2 •  m •  v 2

   E _c  = Energía cinética

   m  =  masa

    v  =  velocidad

Cuando un cuerpo de masa  m  se mueve con una velocidad  v  posee una energía cinética que está dada por la fórmula escrita más arriba.

En esta ecuación, debe haber concordancia entre las unidades empleadas. Todas ellas deben pertenecer al mismo sistema. En el Sistema Internacional (SI), la masa  m se mide en  kilogramo (kg) y  la velocidad  v en  metros partido por segundo ( m / s), con lo cual la energía cinética resulta medida en Joule ( J ).

Ir a: Trabajo: concepto en física

Ver: Energía, Fuerza y trabajo

Ver: PSU: Física; Pregunta 09_2005(2)

Ver: Distancia de detención para un móvil.

Energía Potencial

La energía potencial es el tipo de energía mecánica asociada a la posición o configuración de un objeto. Podemos pensar en la energía potencial como la energía almacenada en el objeto debido a su posición y que se puede transformar en energía cinética o trabajo. El concepto energía potencial, U, se asocia con las llamadas fuerzas conservadoras. Cuando una fuerza conservadora, como la fuerza de gravedad, actúa en un sistema u objeto; la energía cinética ganada (o perdida) por el sistema es compensada por una perdida (o ganancia) de una cantidad igual de energía potencial. Esto ocurre según los elementos del sistema u objeto cambia de posición.

Una fuerza es conservadora si el trabajo realizado por ésta en un objeto es independiente de la ruta que sigue el objeto en su desplazamiento entre dos puntos. Otras fuerzas conservadoras son: la fuerza electrostática y la fuerza de restauración de un resorte.

Considera una pelota cayendo. La fuerza de gravedad realiza trabajo en la pelota. Como la dirección de la fuerza de gravedad es dirección del desplazamiento de la pelota, el trabajo realizado por la gravedad es positivo. El que el trabajo sea positivo significa que la energía cinética aumentará según la pelota cae. Es decir, la velocidad de la pelota aumentará.

Según la energía cinética aumenta, la ganancia debe ser compensada por una perdida de una cantidad igual en energía potencial. Es decir, según la pelota cae, la energía cinética aumenta mientras que la energía potencial disminuye.

Se define la energía potencial como:

U = mgh

Donde m es la masa del objeto, g es la aceleración de gravedad y h es la altura del objeto. Así que según la pelota cae, su energía potencial disminuye por virtud de la reducción en la altura.

Podemos definir la energía total de la pelotaa como la suma de la energía cinética y la potencial.

ET = K + U

Como la energía permanece constante, entonces la energía total inicial es igual a la energía total final.

ETi = ETf

Por lo que entonces la suma de la energía cinética inicial y la potencial inicial debe ser igual a la suma de la energía cinética final y la energía potencial final.

Ki + Ui = Kf + Uf

o sea

½ mvi² + mghi = ½ mvf² + mghf

Considera un ciclista que intenta subir una cuesta sólo con el impulso. Según el ciclista sube la cuesta, su velocidad irá disminuyendo, por lo que la energía cinética disminuirá. La razón es que el trabajo realizado por la fuerza de gravedad en este caso es negativo debido a que el desplazamiento es hacia la parte alta del plano, mientras que el componente de la fuerza de gravedad que actúa en el ciclista es hacia la parte baja del plano. Esta pérdida en energía cinética se compensa con un aumento en la energía potencial. La altura aumentará hasta alcanzar aquella altura que le da una energía potencial igual a la energía cinética del ciclista justo antes de comenzar a subir la cuesta. Mientras más rápido vaya el ciclista al momento de comenzar a subir la cuesta, más alto subirá.


En aplicaciones reales, este principio de transformación de energía cinética en energía potencial puede verse afectado por la fuerza de fricción que ayuda a disipar energía en forma de calor.

• 1. TEMA: POTENCIA MECÁNICA PROFESOR: JAIME AUCCAPIÑA VELAZCO ESTUDIANTE: JOSÉ LUIS MEZA ARCOS ASIGNATURA: FÍSICA 2014
• 2. INTRODUCCIÓN Veamos el caso: mientras una persona sube por una escalera un bulto de cemento de 50 kg a un departamento que se encuentra en reparación en el cuarto piso de un edificio, otra persona utilizando una polea, sube otro bulto de 50 kg hasta el mismo piso en un menor tiempo, ¿quién realiza mayor trabajo? puesto que cada quien elevó un bulto de 50 kg a la misma altura el trabajo realizado es el mismo, sólo que uno lo efectuó en menor tiempo. MUY INTERESANTE
• 3. POTENCIA MECÁNICA La potencia mecánica (P) es el trabajo mecánico (W) desarrollado en una unidad de tiempo (t). P W t La potencia mecánica se define como la rapidez con que se realiza un trabajo. Se mide en watts (W) y se dice que existe una potencia mecánica de un watt cuando se realiza un trabajo de un joule por segundo: 1 W = J/seg.
• 4. En el sistema internacional la potencia se mide en watts (w) y está definida como un joule (J) de trabajo en cada segundo (s). 1W = 1J/s Una de las unidades de la POTENCIA más frecuente es el caballo de potencia (HP) Un HP es la potencia necesaria para levantar una carga de 75 kg con una rapidez media de 1m/s, es decir: 1 HP = 735 w
• 5. PROBLEMA RESUELTO Calcula la potencia (en HP) desarrollada por una grúa que levanta 200 ladrillos de 5 kg cada uno a 10 m de altura en un minuto con una rapidez constante. Resolución: Calculamos la fuerza que aplica la grúa, que es igual al peso total que levanta: Fgrua m.g 200(5kg)(9,8m / s 2 ) 9800N Calculamos la potencia de la grúa: Pgrua Wgrúa Fgrúa d t t (9800 N )(10 m) 1633 W 60 s Convertimos de Watts (W) a caballos de potencia: 1 HP x HP 735W 1633W x 1633W 1HP 735W 1633HP 735 2,2 HP
• 6. PROBLEMAS PROPUESTOS 1. Una grúa es capaz de levantar una masa de 100kg a una altura de 15m en 5s. ¿Qué potencia expresada en watts suministra la máquina? (g = 9,8m/s2 ) UNMSM 2. Calcula la máxima potencia (en HP) de una máquina remolcadora si esta es capaz de remolcar una carga de 10 000 N con una rapidez constante de 0,5 m/s. 3. Una persona de 60kg sube 20m por las escaleras de un edificio en 4min. ¿Qué potencia en watts desarrolló? (g = 10m/s2 ) Para experimentar ¿Cuál es la máxima potencia de tus piernas? Elijan una escalera donde puedan conocer la altura desde el piso hasta un determinado peldaño; luego, con cronómetro midan el menor tiempo que se demoran en subir desde el piso hasta el peldaño elegido. Consideren que la fuerza aplicada por sus piernas es su peso, así que tendrán que conocer su masa, luego calculen su potencia con: W Peso altura P t tiempo
• 7. POTENCIA INSTANTÁNEA Es el tipo de potencia que nos informa de la rapidez con que se realiza un trabajo en un intervalo de tiempo muy corto. Si la potencia es mecánica, su valor instantáneo se determina así: Pot = F.v.cosθ θ = Ángulo entre F y v Pero si : θ = cero, entonces P = F.V
• 8. EFICIENCIA (n) El trabajo útil o salida de potencia de una máquina nunca es igual a la de entrada. Estas diferencias se deben en parte a la fricción, al enfriamiento, al desgaste, contaminación,….etc. La eficiencia nos expresa la razón entre lo útil y lo suministrado a una máquina: n ( pot)útil x100 ( pot) su min istrada
• 9. ESQUEMA SIMPLIFICADO Es el tipo de potencia que nos informa de la rapidez con que se realiza un trabajo en un intervalo de tiempo muy corto. Si la potencia es mecánica, su valor instantáneo se determina así: Pútil (P3 ) Pabsorvida (P1) MÁQUINA Pperdida (P2) n P 3 P 1 P1 = P2 + P3

UNIDAD I: TRABAJO MECÁNICO

ENTORNO Y SISTEMA

Desde un punto de vista físico, un sistema puede ser un objeto ( o partícula), varios objetos o una región del espacio. En cualquier caso, un sistema puede cambiar de tamaño y forma, cmo una pelota de tenis que se deforma al golpear contra la raqueta.

La frontera del sistema es una superficie imaginaria que puede coincidir con una superficie física, y separa al universo en dos partes: el sistema y el entorno del sistema.

TRABAJO MECÁNICO

Cuando sobre un sistema mecánico se aplica una fuerza neta y esta produce desplazamiento, entonces se dice que esa fuerza efectua un trabajo mecánico, el cual puede ser positivo si el sistema gana energía o negativo si el sistema pierde energía. 

En el S.I se mide en Joule y comunmente se usa otra unidad llamada caloría, para referirse al trabajo mecánico.

1 Joule = 1 Newton · 1 metro = kg m²/s²

4,18 Joule = 1 Cal 

Figura I

Figura 2

Como se puede observar, cuando la fuerza no va paralela al desplazamiento, sólo realiza trabajo mecánico la componente de esa fuerza que está en dirección del vector desplazamiento, por ello en la ecuación a parece la función coseno, aplicada sobre el ángulo entre ellos. Específicamente, el trabajo es el producto puntoentre la fuerza y el desplazamiento.

IMPORTANCIA DEL ÁNGULO EN EL TRABAJO

Como hemos visto, en la ecuación de trabajo, el último término es una función conseno aplicada a un ángulo. Este ángulo nos permitirá saber cuando el trabajo es negativo, cuando es positivo y cuando es nulo.

En el primer caso cuando el trabajo es positivo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo que va desde los 0° hasta los 89°, siendo máximo cuando la fuerza y el desplazamiento van en la misma dirección y sentido ( ángulo entre ellos 0, cos 0° =1)

En el segundo caso cuando el trabajo es negativo, la fuerza y el desplazamiento  forman un ángulo mayor a 91° hasta los 180°, siendo máximo, pero de forma negativa cuando el ángulo es 180, pues cos 180° = -1 

En el tercer caso cuando el trabajo es nulo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo de 90°, por lo que el cos 90° = 0, demostrando que el trabajo es cero.

La niña de la imagen aplica sobre la carretilla una fuerzaF,constante, que mantiene un ángulo θ = 60º con respecto a la horizontal. Fy y Fx son las componentes rectangulares de F. De acuerdo al planteamiento del trabajo, sólo la componente de la fuerza que es paralela al desplazamiento realiza trabajo sobre la carretilla.

Por lo general no hay sólo una fuerza aplicada sobre un sistema mecánico, para ello se calcula el trabajo hecho por cada fuerza y se suma de manera de obtener el trabajo neto.

W_neto= W_P+W_N+W_FR+W_F

POTENCIA DEL TRABAJO

La potencia se puede entender como la rapidez con la que se efectúa trabajo y se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. La potencia mecánica se simboliza con la letra P

P = W/Δt

También la potencia la podemos expresar en término de la velocidad, para cuando la fuerza es constante

P =F v

Las unidades para la potencia en el S.I son el Watts, el cual se define como Joule/s, de esta manera las equivalencias de otras unidades con el Watts son:

1 kW= 1000 W

1 Hp=746 W