La fricción, también llamada rozamiento, es la fuerza de resistencia que se opone al movimiento de deslizamiento relativo entre dos objetos cuyas superficies están en contacto.
Esta fuerza no es igual cuando los objetos están en reposo y cuando están en movimiento. Por eso se distinguen dos tipos de fricción, la fricción dinámica (también llamada fricción cinética) y la fricción estática.
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Concepto de fricción y fricción estática
La fricción dinámica es la fuerza de resistencia al movimiento que se da cuando los objetos ya se están moviendo. Por su parte, la fricción estática es la fuerza de resistencia que se opone al inicio del movimiento y que se da, por tanto, cuando los objetos están en reposo.
Por ejemplo, si dejamos un objeto sobre una rampa, no se deslizará por la rampa por sí sólo si no se aplica un pequeño empuje inicial. Esta fuerza inicial tiene que superar la fricción estática para que el objeto comience a moverse.
Una vez en deslizamiento, entra en juego la fricción dinámica, la cual es generalmente menor que la fricción estática, motivo por el que es necesario aplicar menos fuerza para mantener el objeto en movimiento que para ponerlo en marcha.
¿A qué se debe la fricción?
En la fricción, tanto estática como dinámica, intervienen numerosos factores pero sin duda los más importantes son las imperfecciones o rugosidades en las superficies de contacto y la fuerza perpendicular que mantiene las dos superficies unidas. Esta fuerza se conoce como fuerza normal y el ejemplo más común es el peso del objeto provocado por la gravedad.
La acción de la fuerza normal y las rugosidades superficiales crean una resistencia al deslizamiento entre ambas superficies que es a lo que llamamos fricción. La fuerza necesaria para superar esta resistencia se conoce como fuerza de fricción o fuerza de rozamiento.
Ninguna superficie es completamente lisa. Si se observa al microscopio siempre se encuentran imperfecciones que crean fricción, aunque las diferencias entre materiales es evidentemente enorme. Por ejemplo, una lámina de aluminio pulido es evidentemente mucho más lisa que la superficie de una carretera de asfalto.
Además de la rugosidad superficial, otros factores importantes que pueden influir en la fricción son la atracción electrostática y el tipo de enlaces químicos intermoleculares que se den entre las dos superficies.
¿Cómo se calcula la fricción estática?
Para poner un objeto en movimiento sobre una superficie tenemos que aplicar una fuerza que es proporcional a la fuerza normal que mantiene el objeto unido a la superficie. La constante de proporcionalidad entre ambas fuerzas se denomina coeficiente de fricción y generalmente se designa con la letra griega μ (mu). La fuerza de fricción tendría la siguiente fórmula:
Dónde:
- f es la fuerza de ficción o rozamiento en el umbral de movimiento
- μ es el coeficiente de fricción
- N es la fuerza normal
Si no hay otros tipos de interacciones, la fuerza normal de un objeto sobre una superficie horizontal plana coincide con su peso. Esto es, su masa por la aceleración de la gravedad:
La fuerza máxima que se puede aplicar sin que el objeto se mueva se conoce como umbral de movimiento. Por debajo de este umbral, la fuerza aplicada al objeto coincide con la fuerza de fricción, ambas se anulan y se impide el movimiento. Se sabe que ambas se igualan porque de lo contrario el objeto se movería en algún sentido.
Si medimos la fuerza máxima que podemos aplicar al objeto sin producir movimiento, conoceremos la fuerza de fricción estática en el umbral de movimiento. Como ya conocemos la fuerza de fricción y la fuerza normal, podremos despejar el coeficiente de fricción estática de la fórmula anterior.
El coeficiente de fricción se puede calcular así para cualquier par de materiales sólidos, por ejemplo, madera – madera, madera – metal o metal – metal. Generalmente se designa μe al coeficiente de fricción estática para distinguirlo del coeficiente de fricción dinámica, μd.
El μd suele ser menor y se calcula de forma similar midiendo la fuerza máxima que se puede aplicar para mantener el objeto en movimiento a velocidad constante (sin aceleración).
Fricción estática vs fricción cinética
Como se ha explicado, la fricción estática es la que se produce por debajo del umbral de movimiento. Una vez superado este umbral el objeto comienza a deslizarse sobre la superficie y, por lo general, la fricción entre ambos se hace menor y se pasa a denominar fricción dinámica.
El hecho de que la fricción dinámica sea menor que la estática implica que la fuerza necesaria para mantener un objeto en movimiento es menor que la fuerza necesaria para que el objeto inicie el movimiento. Este efecto lo podemos observar a nuestro alrededor cada día y suele ser una gran ventaja.
Por ejemplo, la fricción entre el asfalto y las ruedas del coche es intencionadamente alta para proporcionar al conductor un mayor control sobre el vehículo. Esto genera una gran fricción estática y es necesario utilizar mucha fuerza para poner el coche en movimiento. Por eso hay que utilizar las marchas cortas del motor.
Una vez en movimiento, para mantener la velocidad del coche necesitamos menos fuerza ya que entra en juego la fricción dinámica, menor que la fricción estática. Ahora podemos utilizar las marchas largas del motor que aplican menos fuerza y consumen menos combustible.