Significado de fricción seca (estática y cinética) y viscosa Definición, diferencia, y características
Licenciada en Física
Definición formal
La fricción supone una fuerza producida a partir de la interacción entre dos superficies sólidas, o bien entre una superficie y un fluido, presentándose si hay movimiento relativo entre los actores en contacto, como también en el caso de que no lo haya. Así mismo, tiene el efecto de oponerse al movimiento, o a que el mismo se inicie. La fricción seca ocurre cuando no hay presencia de fluido entre las superficies sólidas. En cambio, para la fricción viscosa, tiene que existir un fluido entre las superficies, que puede ser una capa de aire, agua o aceite, por ejemplo, o si el sólido se mueve de lleno en fluido.
Características de la fricción seca (estática y cinética)
La fricción seca o rozamiento entre superficies sólidas surge de las pequeñas irregularidades microscópicas que todas las superficies poseen, aun las que parecen suaves al tacto y se ven muy pulidas. Estas rugosidades forman crestas y valles que se apoyan unas con otras y se enganchan, dando como resultado un agarre entre las superficies que dificulta el movimiento. Incluso, estando las superficies en reposo una respecto a la otra, pueden surgir enlaces que incrementan el agarre.
Se distingue dos tipos de fricción seca
• Estática, en la cual las superficies se encuentran en reposo una respecto a la otra.
• Cinética o dinámica, donde existe movimiento relativo entre las superficies.
Propiedades generales aplicables
1. Su magnitud es independiente del tamaño del área de contacto.
2. Es paralela (tangencial) a la superficie que la ejerce, por lo tanto, tiene la misma dirección que el movimiento o la intención de movimiento, pero su sentido siempre es opuesto.
3. La magnitud de la fricción estática varía entre 0 y un valor máximo.
4. Tanto la magnitud de la fricción cinética como de la fricción estática máxima son proporcionales a la normal, que es la fuerza de contacto perpendicular a las superficies. La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de roce y su valor depende de la naturaleza de las superficies en contacto.
Fórmulas que rigen la fricción estática y cinética
Ocurre que cuando no existe fuerza externa que pretenda mover el objeto apoyado, la fricción estática es nula. Pero cuando se comienza aplicar esta fuerza, la magnitud de la fricción estática va creciendo poco a poco, alcanzando el valor máximo en el preciso instante en que el movimiento es inminente.
Por lo tanto:
\(0\le {{f}_{s}}\le {{\left( {{f}_{s}} \right)}_{max}}\)
Experimentalmente se conoce que la magnitud de la fricción estática máxima es proporcional a la magnitud de la normal N entre las superficies:
\({{\left( {{f}_{s}} \right)}_{max}}~\propto N\)
Siendo la constante de proporcionalidad el coeficiente de roce estático μs. De esta forma:
\({{\left( {{f}_{s}} \right)}_{max}}={{\mu }_{s}}N\)
El valor del coeficiente de roce estático depende de las superficies en contacto y es una cantidad adimensional, es decir, carece de unidades. Se obtiene a partir de la experimentación.
Si la fuerza externa logra vencer a la fricción estática, el objeto entra en movimiento y la fricción cinética fk toma el lugar de la fricción estática, manteniéndose constante en magnitud durante todo el movimiento.
La constante de proporcionalidad es el coeficiente de roce cinético μk, de manera que:
\({{f}_{k}}={{\mu }_{k}}N\)
En la siguiente gráfica se observa el comportamiento descrito para la fricción, que crece en forma lineal en la región estática, alcanza el máximo y da paso a la fricción cinética, cuyo valor es constante en la región dinámica.
Gráfica de la fricción versus la fuerza externa
Por lo tanto, en general se cumple que
\({{f}_{k}}~<{{f}_{s}}~\) Es decir, la magnitud de la fricción dinámica es menor que la de la fricción estática. Ello se debe a que el coeficiente de roce cinético siempre es menor que el de roce estático. Se cree que esto ocurre a causa de la aparición de enlaces iónicos entre las superficies en contacto, cuando están en reposo una respecto a la otra.
Elementos diferenciales de la fricción viscosa (lineal y cuadrática)
Existe fricción viscosa cuando un objeto sólido se mueve en medio fluido, como aire, agua, aceite u otro. Es bastante complicado modelar matemáticamente estas situaciones a causa de las muchas variables que afectan el movimiento. Sin embargo, hay dos modelos de fricción viscosa que se aplican con frecuencia según la velocidad del objeto y la naturaleza del medio fluido:
• Resistencia lineal, en el cual la fricción viscosa es directamente proporcional a la velocidad del objeto.
• Resistencia cuadrática, con la fricción viscosa proporcional al cuadrado de la velocidad.
Fórmulas del tipo de Resistencia lineal
Sea froce la fuerza de fricción y v la velocidad del objeto, como la fuerza es proporcional a la velocidad, se tiene que
\({{f}_{roce}}\propto v\)
\({{f}_{roce}}=\gamma v\)
Donde γ es la constante de proporcionalidad, llamado coeficiente de fricción viscosa o de amortiguamiento viscoso, cuya unidad en el sistema internacional es N∙s/m.
El modelo de resistencia lineal es aplicable para objetos con bajas velocidades y fluidos cuyo régimen es laminar, es decir, se mueven en capas que no se mezclan.
Fórmulas del tipo de Resistencia cuadrática
En este caso, la fuerza de fricción froce es proporcional al cuadrado de la velocidad v, por lo tanto:
\({{f}_{roce}}\propto {{v}^{2}}\)
\({{f}_{roce}}=D{{v}^{2}}\)
La constante de proporcionalidad D debe tener unidades de N∙s2/m2, que al reducirse quedan como kg/m. Esta constante depende de varios factores: la densidad del medio fluido, el área de la sección transversal del móvil y una magnitud llamada coeficiente de resistencia aerodinámica.
Este modelo es más adecuado para objetos que se mueven a altas velocidades.
Trabajo publicado en: May., 2021.
