UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA CURSO FISICA MECANICA PRACTICA DE LABORATORIO PRACTICA No. 9: FUERZA DE FRICCION Y MEDIDAS DE COEFICIENTES 1. INTRODUCCION. Si se le imprime una velocidad inicial a un cuerpo para que se deslice sobre una superficie, entonces después de cierto tiempo se detendrá. Este comportamiento se explica por la presencia de una fuerza, debida al contacto entre las superficies, que actúa en sentido contrario a la velocidad, su efecto es disminuir progresivamente la velocidad hasta hacer que el cuerpo quede en reposo. Dicha fuerza se conoce como Fuerza de Fricción Cinética o Fuerza de rozamiento cinético. Si un cuerpo se coloca en un plano inclinado, sin que actúen otras fuerzas sobre él, no se desplazará a no ser que el ángulo de inclinación del plano sea mayor que cierto ángulo mínimo llamado ángulo crítico; para ángulos menores al ángulo crítico el cuerpo permanece en reposo sobre el plano porque la componente del peso ( m.g.sen θ ) que tiende a hacerlo deslizar es anulada por una fuerza de contacto entre las superficies llamada Fuerza de Fricción Estática o Fuerza de Rozamiento Estático. La fuerza de rozamiento depende de muchos factores tales como la naturaleza de las superficies en contacto, su grado de pulimentación, las interacciones entre las moléculas de los cuerpos en contacto la fuerza normal o perpendicular entre las dos superficies, etc. Debido al gran número de factores que intervienen en la fuerza de fricción su estudio formal se hace difícil, por lo cual se recurre a métodos experimentales para comprender sus efectos. 2. OBJETIVOS 2.1 Determinar los coeficientes de fricción estático y dinámico para ciertas superficies. 2.2 Establecer el tipo de dependencia existente entre la fuerza de fricción y la fuerza normal. 2.3 Establecer el tipo de dependencia existente entre la fuerza de fricción y el área de contacto de las superficies. Visite la dirección: http://www.youtube.com/watch?v=ptr2eonmjbu 3. MARCO TEORICO Métodos experimentales han demostrado las siguientes propiedades de la fricción: i. Es independiente del área de contacto. ii. iii. Es proporcional a la fuerza normal N de una superficie sobre la otra. Depende de la velocidad relativa de las superficies, pero es casi constante cuando la velocidad relativa entre ellas es baja. Como la fuerza de fricción es proporcional a la fuerza normal, entonces puede ser expresada como f = µ.n donde la constante de proporcionalidad µ es llamada coeficiente de fricción entre las superficies. Si los objetos en contacto están en reposo relativo la fuerza de fricción es estática, y se usa el coeficiente de fricción estático: f s = µ s. N.
Si existe movimiento relativo entre las dos superficies la fricción es cinética y se usa el coeficiente de fricción cinético f s = µ s. N. Para determinar experimentalmente el coeficiente de fricción estático se ubica un bloque en un plano inclinado, como se aprecia en la figura 1a. Se incrementa gradualmente el ángulo de inclinación hasta encontrar el valor crítico para el cual se inicia el movimiento; en este caso la componente de la fuerza de gravedad paralela a la superficie de deslizamiento es igual a la máxima fuerza de fricción estática, figura 1b. 1a. 1b. FIGURA 1. Determinación del coeficiente de fricción Para el instante inmediatamente anterior al inicio del movimiento se tiene: de donde: F x = 0 entonces Mg.Senθ s = µ s.n (1) F y = 0 entonces Mg.Cosθ s = N (2) µ s = Tan θ s Para determinar el coeficiente de fricción cinético puede seguirse el proceso anterior pero se busca es el ángulo de inclinación que hace que el bloque descienda con velocidad constante. 4. MATERIALES Tablero de experimentos Juego de masas Dinamómetro Poleas Bloque de fricción Plano inclinado Cuerda 5. PROCEDIMIENTO 5.1 FUERZA DE FRICCION ESTATICA Realice el montaje de la figura 2, teniendo en cuenta que al estar el plano nivelado la plomada quede alineada con 270 o.
FIGURA 2. Fricción estática Con el dinamómetro determine el peso del bloque: Mg = Ubique el bloque sobre el plano e incremente gradualmente el ángulo hasta determinar el valor crítico para el cual inicia el movimiento θ s = Utilizando la ecuación (2) determine el valor de la fuerza Normal y efectúe el cociente Mg.Senθ s / N Registre los datos en la tabla 1 Repita el proceso ubicando secuencialmente sobre el bloque masas de 50, 100, 150, 200 y 250 gramos. Compare los valores obtenidos en las dos últimas columnas. Qué concluye? Qué ocurre con el coeficiente de fricción estático al aumentar la fuerza Normal? Elabore una gráfica de fuerza de fricción estática (f s = MgSenθ s ) en función de Normal. Qué tipo de curva obtuvo? Cuál es la relación existente entre las variables? Calcule la respectiva ecuación y compare la pendiente con los valores de la tercera columna, Qué concluye? TABLA 1. Coeficiente de fricción y normal Normal θ s ( o ) µ s = Tan (θ s ) s / N f s s N (N) Ubicando sólo el bloque determine el coeficiente de fricción estático al variar el área de contacto (sin variar el tipo de superficie). Registre los valores en la tabla 2
TABLA 2. Coeficiente de fricción y área de contacto Area de θ s ( o ) µ s = Tan (θ s ) Contacto A B Compare los valores de los coeficientes obtenidos. Qué puede concluir? Ahora repita el proceso utilizando las áreas mayores. Tenga en cuenta que en este caso varía el tipo de superficie. Qué puede concluir? TABLA 3. Coeficiente de fricción y tipo de superficie Tipo de θ s ( o ) s = Tan (θ s ) Superficie Madera-Metal Teflón-Metal 6. APLICACIONES. 6.1. Dados los sistemas realice el diagrama de cuerpo libre para cada uno de ellos. a) Un bloque jalado a la derecha sobre una superficie horizontal rugosa. b) Un bloque jalado hacia arriba por una pendiente rugosa. c) Dos bloques sobre una cuña rugosa que se mueven hacia la derecha.
58 6.2. Una esquiadora olímpica que baja a 25 m/s por una pendiente a 18º encuentra una región de nieve húmeda de coeficiente de rozamiento μ c = 0,55. Cuánto desciende antes de detenerse? 6.3. Suponga que un bloque de masa m se coloca sobre una superficie rugosa e inclinada. Calcule el coeficiente de rozamiento cinético entre el bloque y la superficie si el ángulo de inclinación es de: a) 30º, b) 60º, y c) 90º. 6.4. Depende el coeficiente de rozamiento de la naturaleza de las superficies que están en contacto? 6.5. Depende el coeficiente de rozamiento del tamaño de las superficies que están en contacto? 6.1. Depende del coeficiente de rozamiento del acabado de las superficies que están en contacto? Si fuera nuevamente a principiar mis estudios, seguiría el consejo de Platón y principiaría con las matemáticas GALILEO GALILEI