FRICCION CAPITULO I

Título:	FRICCION
Subtítulo	FRICCION ESTATICA Y CINETICA
Fecha de realización:	11/05/2015
Grupo:	MAQUINAS
Tema:	FRICCION
Código:	MAQ-BAS-FRI-01-01

INDICE

1 CONCEPTOS GENERALES
1.1 DEFINICION
1.2 TIPOS DE FUERZA DE FRICCION
1.3 ANALISIS MATEMATICO
1.3.1 FRICCION ESTATICA
1.3.2 FRICCION CINETICA
1.3.3 ANGULO DE ROZAMIENTO
1.4 BIBLIOGRAFIA

	Fecha	Autor	Observaciones
	06/05/2015	Ing. Juan Carlos Miranda Rios	Documento Base
Rev.01	11/05/2015	Ing. Juan Carlos Miranda Rios	Mejora parte teórica y complementación
Rev.02

FRICCION

1 CONCEPTOS GENERALES

1.1 DEFINICION

Siempre que un objeto se mueve sobre una superficie o un medio fluido (líquido o gaseoso), hay una resistencia al movimiento debido a la interacción del objeto con sus alrededores. Dicha resistencia recibe el nombre de fuerza de fricción o fuerza de rozamiento.

Se define la fuerza de fricción o fuerza de rozamiento como la resistencia u oposición que presenta un cuerpo a la intención o cambio del movimiento con respecto a otro. Para superficies solidas, el origen de estas fuerzas de fricción se debe fundamentalmente al contacto existente entre los picos de las imperfecciones y rugosidad existente en las superficies, por tanto es de esperar, que estas fuerzas disminuyen si las mismas son pulimentadas o lubricadas mediante un lubricante lo cual evita el contacto de dichas puntas. Sin embargo no son las únicas causas de la fricción, también hay que considerar en menor o mayor grado atracciones debido a afinidades moleculares, o también electroestáticas, que puedan incrementar las fuerzas de fricción.

Modernas investigaciones han demostrado que la fricción entre las superficies en contacto de los sólidos ordinarios (y sobre todo de los metales) se debe en su mayoría a la adherencia local. Cuando dos superficies se juntan bajo una determinada presión, ocurre un soldado o pegado local en ciertas áreas localizadas, donde las asperezas mas grandes hacen contacto. Para superar esta adherencia,  es necesario aplicar una fuerza lo suficientemente grande como para lograr separar las regiones soldadas.

Figura 1 – Fuerza de Fricción

Las fuerzas de rozamiento son del tipo DISIPATIVAS, es decir que la energía se degrada principalmente en forma de calor, por lo cual, de acuerdo al lugar donde se produzcan estas pueden ser indeseables, como ocurre en las máquinas, provocando pérdidas de potencia y desgaste de sus piezas móviles; así por ejemplo: en los vehículos donde alrededor de un 20% de su potencia se emplea en contrarrestar las fuerzas de rozamiento,  y por otro lado, pueden resultar beneficiosas como sucede en las ruedas de los coches donde se desea un alto valor de fuerza de fricción de manera de evitar  que la llanta derrape y sufra un desgaste prematuro y pérdida de velocidad y/o aceleración.

1.2 TIPOS DE FUERZA DE FRICCION

De acuerdo a su naturaleza, la fuerza de fricción se clasifica en dos tipos:

• Fricción Seca (Fricción de Coulomb). Se da en superficies secas libres de cualquier tipo de contaminación (aceites, grasas, agua, etc.)
• Fricción lubricada. Se da cuando las superficies están separadas por una delgada película de lubricante. La lubricación depende en este caso de la fuerte adhesión que tenga el fluido con  la superficie rugosa de los materiales en contacto.

Fuerza de fricción estática: Es la que se opone a que un objeto inicie el deslizamiento. Depende de la "rugosidad" que hay entre las superficie de contacto entre el objeto y el lugar donde se va a mover. A mayor rugosidad mayor es la fuerza de fricción estática, y mayor será el esfuerzo necesario para empezar el movimiento.

Fuerza de fricción cinética (dinámica): Es la que se opone al movimiento de un objeto que ya está en movimiento. Depende, también, de la "rugosidad" que hay entre las superficies de contacto. A mayor rugosidad mayor es la fuerza de fricción cinética, y mayor será el esfuerzo necesario para mantener el movimiento del objeto.

1.3 ANALISIS MATEMATICO

Las causas de la fricción son muy complejas para intentar un estudio teórico a partir del cual deducir expresiones para su evaluación, por ello se prefieren tratamientos empíricos, es decir, se realizan estudios experimentales, los cuales proveen ecuaciones para la determinación de la fricción. Las leyes sobre las fuerzas de fricción tanto estática como cinética fueron establecidas experimentalmente hacia 1779 por Charles Coulomb (1736-1806), razón por las que se las denomina FUERZAS DE FRICCION DE COULOMB y señalan lo siguiente:

• La fuerza de fricción estática máxima es independiente del tamaño del área en contacto.
• La fuerza de fricción cinética es independiente de la velocidad relativa de las superficies en contacto.
• La fuerza de fricción estática máxima es directamente proporcional a la magnitud de la reacción normal y a la rugosidad de las superficies en contacto. La fuerza de fricción cinética es directamente proporcional a la magnitud de la reacción normal y a la rugosidad de las superficies en contacto.

Figura 2 – Fuerza de Fricción Seca

1.3.1 FRICCION ESTATICA

Para cualquier fuerza externa que actué sobre un objeto que permanezca en reposo, la fuerza de fricción estática (f_s) será exactamente igual en magnitud y de sentido opuesto a la componente de dicha fuerza externa que actúa a lo largo de la superficie de contacto entre el objeto y su superficie de apoyo.

Esta magnitud máxima de la fuerza de fricción estática es proporcional a la fuerza normal y ambas están relacionadas mediante el coeficiente de fricción estática , lo cual nos conduce:

Donde , es una constante de proporcionalidad adimensional, es decir que no posee unidades. El signo de menor o igual (£) indica que la fuerza de fricción estática podría tener valores o magnitudes diferentes, desde cero hasta cierto valor máximo. La fuerza de fricción estática mayor, o máxima, se ejerce justo antes de que el objeto comience a deslizarse (figura 2) y, en tal caso, la ecuación 3 da el valor máximo de fricción estática:

Para poder entender mejor lo anteriormente señalado, pongamos como ejemplo el bloque mostrado en la figura, al cual se le aplica una fuerza T. En el instante en que se aplica la fuerza T, inmediatamente aparece una fuerza de oposición correspondiente a la fuerza de fricción f_s que evita que el bloque se mueva.

A medida que vayamos incrementado la fuerza T, también se incrementara la fuerza de fricción f_s. Pero llegara un instante donde se alcanzara limite de resistencia de la fuerza de fricción estática y se romperá el equilibrio, siendo que el bloque comenzara a moverse. En el instante previo a que el bloque comience a moverse, se producirá la fuerza de fricción máxima f_s,max, la cual está representado por la ecuación 3 y señalado en la figura 2 mediante el pico máximo superior.

1.3.2 FRICCION CINETICA

Una vez que un objeto comienza su movimiento a velocidad constante, la fuerza de fricción cambia a fricción cinética (f_k). Esta fuerza actúa en la dirección opuesta a la dirección del movimiento y su magnitud es:

Donde µ_k es el coeficiente de fricción cinética (adimensional).

En general sucede que el coeficiente de fricción cinética es menor que el coeficiente de fricción estática (µ_k < µ_s), lo que significa que la fuerza de fricción cinética es menor que la fuerza de fricción estática máxima f_s,max. Pero para superficies lisas de poca rugosidad y pequeñas velocidades, ambos coeficientes son casi iguales.

De similar manera,  para el sistema mostrado en la figura, suponiendo que el objeto ha alcanzado una velocidad  lineal constante, es decir, la aceleración resultante es nula, la fuerza de fricción cinética estará definida por la ecuación 4. Pero si el objeto posee una aceleración (a ¹ 0), la fuerza de fricción cambiara en función a la magnitud de la aceleración. Esta relación estará determinada por el análisis de cuerpo libre que se le realice al bloque y la magnitud de las fuerzas externas que actúen sobre la misma.

El desgaste se presenta en la fricción cinética y representa el daño de la superficie o la remoción del material de una o ambas superficies sólidas en el movimiento relativo, sea por deslizamiento, rodamiento o impacto. Durante el movimiento relativo, el material en la superficie de contacto se desplaza, en consecuencia las propiedades del sólido, o cerca de la superficie, se alteran, pero muy poco o nada del material se pierde. Por lo cual, el material puede ser removido de la superficie como resultado en la transferencia a otra superficie, o bien, se puede perder la partícula del desgaste.

Al igual que la fricción, el desgaste no es una propiedad del material, es la consecuencia del movimiento. El deslizamiento entre superficies sólidas se caracteriza generalmente por un alto coeficiente de fricción y un gran desgaste debido a las propiedades específicas de las superficies. La presencia de la capa del material ajeno en la interfase no puede ser garantizada durante el proceso de deslizamiento, por lo tanto, se aplica lubricante para disminuir la fricción y el desgaste. El término lubricación se aplica a dos situaciones: la lubricación sólida y la lubricación de la película del fluido (líquido o gaseoso).

1.3.3 ANGULO DE ROZAMIENTO

Al considerar el deslizamiento de un cuerpo sobre un plano inclinado, se observa que al variar la inclinación de dicho plano, el objeto inicia el movimiento al alcanzarse un ángulo de inclinación crítico. Esto es debido a que al aumentar la inclinación, se reduce paulatinamente la componente perpendicular del peso, la fuerza normal N, que es proporcional al coseno del ángulo de inclinación.

Esto es así independientemente del peso del cuerpo, ya que a mayor peso, aumentan tanto la fuerza que tira el objeto cuesta abajo, como la fuerza normal que genera el rozamiento. De este modo, el coeficiente de rozamiento estático máximo dado entre dos cuerpos es equivale al ángulo del plano inclinado existente previo al inicio del movimiento. En forma matemática:

Resolviendo las ecuaciones:

Suponiendo que el objeto se desplaza con velocidad constante, entonces:

1.4 BIBLIOGRAFIA

• http://www.jfinternational.com/mf/fuerzas-friccion.html
• http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Fuerza_Roce.html
• http://es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/Est%C3%A1tica/Rozamiento
• Física – Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffa, Bo Lou
• Física para Ingeniería y Ciencias – Wolfgang Bauer, Gary D. Westfall
• Física Universitaria – Volumen 1 – Sears Zemansky – Young Freedman
• Mecánica para Ingeniería – Estática – Anthony Bedford, Wallace Fowler
• Física para Ciencias e Ingenierías - Volumen I – Reymond A. Serway, John W. Jewett Jr.
• http://www.monografias.com/trabajos15/coeficiente-friccion/coeficiente-friccion.shtml
• Manual del Ingeniero Mecánico - Marks  

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