Fuerza de roce o de rozamiento

Las fuerzas de roce son fuerzas producidas entre cuerpos en contacto, y que por su naturaleza oponen resistencia a cualquier tipo de movimiento de uno respecto al otro.

El roce entre dos superficies en contacto ha sido aprovechado por nuestros antepasados más remotos para hacer fuego frotando maderas.

Históricamente, el estudio del roce comienza con Leonardo da Vinci quien dedujo las leyes que gobiernan el movimiento de un bloque rectangular que se desliza sobre una superficie plana. Sin embargo, este estudio pasó desapercibido.

Para mover el mueble, primero hay que vencer la fuerza de roce estática.

En el siglo XVII Guillaume Amontons, físico francés, redescubrió las leyes del roce (o rozamiento) estudiando el deslizamiento seco de dos superficies planas. Las conclusiones de Amontons son esencialmente las que estudiamos en los libros de Física General:

•   La fuerza de roce se opone al movimiento de un bloque que se desliza sobre un plano.

•   La fuerza de roce es proporcional a la fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque.

•   La fuerza de roce no depende del área aparente de contacto.

El científico francés Coulomb añadió una propiedad más:

•   Una vez empezado el movimiento, la fuerza de roce es independiente de la velocidad.

Cuando el bloque se mueva, el dinamómetro indicará el valor de la fuerza de roce estática, la cual hay que vencer y luego aumentar para que el bloque siga en movimiento.

Si alguien quiere desplazar algo que está en el suelo hay que hacer un esfuerzo para sacar del reposo eso que se quiere mover, es la fuerza de roce estática la que se opone.

Si un objeto ya está moviéndose sobre el suelo y en contacto con el aire, o sólo en contacto con el aire y no hay fuerzas que lo empujen, el objeto irremediablemente se va a detener: una fuerza de roce hará que se detenga.

La causa de la existencia de esta fuerza es la siguiente: las superficies de los cuerpos, incluso las de los aparentemente lisos, no son lisas; presentan una serie de asperezas que, al apoyar un cuerpo sobre otro, encajan entre sí, oponiendo una resistencia, lo que obliga a la aplicación de una fuerza adicional a la del movimiento para conseguir vencer dicha resistencia.

Por lo tanto, la fuerza efectiva que hará que un objeto se mueva será:

F _efectiva = F _aplicada + F _roce

.

Es importante aclarar, para evitar cualquier confusión, que lo que se suma como F _roce no es la fuerza de roce misma (la que es de sentido contrario al desplazamiento del objeto), sino una fuerza equivalente para lograr vencer la resistencia que la fuerza de roce estática ejerce sobre dicho objeto.

Al moverse, actúa la fuerza de roce cinética.

El roce es independiente de la velocidad y del valor de la superficie de los cuerpos en contacto. Esta fuerza depende de la naturaleza de los cuerpos en contacto y del grado de pulimento de sus superficies. Es proporcional a la fuerza que actúa sobre el móvil perpendicularmente al plano de movimiento. A ésta última se la denomina fuerza normal (N) .

El área real de contacto aumenta cuando aumenta la presión (la fuerza normal) ya que las rugosidades o asperezas se deforman.

Habiendo dos superficies en contacto, un objeto cualquiera sobre el suelo, por ejemplo, siempre habrá fuerza de roce. Esta fuerza de roce se subdivide en tres tipos:

1.- Fuerza de roce estática : Es la que se opone a que un objeto inicie un 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 roce estática, y mayor será el esfuerzo necesario para empezar a mover algo.

2.- Fuerza de roce cinética : 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 entre el objeto y el lugar donde se está moviendo. A mayor rugosidad mayor es la fuerza de roce cinética, y mayor será el esfuerzo necesario para mantener el movimiento del objeto. Esta fuerza de roce se manifiesta cuando hay movimiento de deslizamiento entre dos superficies.

3.- Fuerza de roce con el aire (fluido en general): Es la que se opone al movimiento de un objeto que está en movimiento en el aire (fluido). Depende de dos factores; la velocidad del objeto y la forma aerodinámica del objeto.

Ver: PSU: Física, Pregunta 12_2005 .

Coeficiente de roce

El concepto de rugosidad que se menciona más arriba es interesante describirlo con más precisión.

Pensemos en la superficie más lisa que se nos ocurra. Según las experiencias personales la respuesta puede variar desde una cerámica o una baldosa encerada o un trozo de hielo. Una superficie áspera puede ser el cemento, una lija, un rallador o una pared.

En realidad, en estricto rigor, decir que una superficie es lisa o áspera es algo relativo, obedece a una comparación.

Escojamos una superficie lisa. Al tacto puede que se sienta muy lisa, pero vista con una lupa aquello que nos parece liso al tacto pasa a ser “rugoso” a la vista.

Ahora se puede apreciar que cuando una superficie se desliza por sobre otra, o viceversa, para que se produzca el deslizamiento hay dificultades para el desplazamiento, esa dificultad es la que denominamos “rugosidad” y la rugosidad entre dos superficies en contacto se mide por el “coeficiente de roce”.

Por cierto que diferentes superficies en contacto determinan diferentes rugosidades.

El coeficiente de roce es un valor numérico que varía entre el valor 0 (sin rugosidad) hasta el valor infinito (máxima rugosidad).

Para las mismas condiciones de superficie y objeto que se quiere mover o que está en movimiento de deslizamiento, es mayor la fuerza de roce estática que la cinética. Esto significa que para empezar a mover un objeto hay que hacer un esfuerzo mayor que para mantenerlo en movimiento deslizante.

En un diagrama de fuerzas de un objeto en movimiento, la fuerza de roce cinética o con el aire se representa con una flecha que apunta en sentido contrario al movimiento.

En el caso de un automóvil, al presionar el acelerador el motor ejerce una fuerza hacia delante en una medida igual a la fuerza de roce que se opone a su movimiento, y, en consecuencia, lleva una velocidad constante.

Si la fuerza que proporciona el motor al vehículo es mayor que la fuerza de roce, entonces el vehículo aumentará su velocidad.

Si la fuerza que proporciona el motor al vehículo es menor que la fuerza de roce, entonces el vehículo disminuirá su velocidad.

La situación del automóvil es interesante:

Si un automóvil está en movimiento sus ruedas se mueven respecto al suelo, de hecho van en directo contacto con él. ¿Qué tipo de fuerza de roce afecta al automóvil? La de roce con el aire es inevitable ya que parte de su estructura está expuesta al aire, pero también hay contacto con el suelo, entonces ¿qué roce lo afecta: cinético o estático?

La tendencia natural es responder que al automóvil le afecta la fuerza de roce cinética por estar  en movimiento, pero nos olvidamos de un detalle que va a hacer cambiar la respuesta natural, la rueda del automóvil no se desliza sobre el suelo, gira sobre él.

La fuerza de roce que opone el aire favorece la función del paracaídas.

Cada punto, de la rueda, que está en contacto con el suelo no se desliza. Por un instante —justo cuando hay contacto con el suelo—; está detenido, por lo tanto le afecta el roce estático que impide que la rueda se deslice, esto finalmente contribuye al efecto de rotación de la rueda y con ello el vehículo avanza.

En efecto, el roce estático empuja el automóvil hacia delante. El motor “empuja” el suelo hacia atrás, pero como el suelo “está pegado”,  éste reacciona sobre el automóvil. Esto se aprecia cuando hay barro, el barro (que sería el suelo suelto o despegado) es empujado y lanzado hacia atrás y al haber deslizamiento no puede moverse el automóvil.

Si un objeto se lanza, a ras de piso, el objeto se deslizará disminuyendo su velocidad hasta que se detiene, pues la fuerza de roce cinético se opone a que el objeto se mueva.

Si pensamos bien, todos los vehículos que se desplazan en el suelo están expuestos a dos tipos de fuerza de roce, a la cinética o estática según sea el tipo de movimiento, y a la con el aire. Por esta razón es que los vehículos tienen una forma aerodinámica tal que el roce con el aire no sea tan importante, pero no se puede eliminar.

Las fuerzas de roce pueden ser útiles o no útiles. Para un paracaidista la fuerza de roce es muy importante. Para un avión, la fuerza de roce es un impedimento.

Las fuerzas de roce se pueden aminorar mediante al menos tres procedimientos: alisando las superficies en contacto, aplicando lubricante a las superficies en contacto o dando una forma aerodinámica, para "romper" el aire (fluido), a los objetos.

El bloque no cae pues lo impide la fuerza de roce estática.

Si un objeto está en reposo sobre una superficie horizontal. Ninguna fuerza de roce se hace presente mientras no se intente empezar a moverlo.

Si un objeto está en reposo sobre una superficie inclinada, la fuerza de roce estática es la que impide que el objeto caiga.

Ahora, si se inclina más la superficie, es posible que el objeto caiga, en este caso una parte del peso del objeto pasa a ser mayor que la fuerza de roce estática que antes mantenía al objeto en reposo.

Cuando un objeto roza una superficie, o roza con un fluido, se calienta.

Cuando una nave espacial, o meteoro, ingresa a la atmósfera terrestre se calienta tanto que llega a brillar, eso es debido al roce con el aire.

Por esta razón las naves espaciales usan una capa protectora de losetas de cerámica, que resisten altas temperaturas.

¿En qué posición hay más roce?

En el vacío no hay fuerzas de roce con el aire, debido a que no hay aire.

Una cuarta fuerza de roce

En general, la fuerza de roce entre las capas de un fluido, incluyendo el aire, recibe el nombre de viscosidad. Así un fluido de mayor viscosidad que otro (aceite versus agua por ejemplo) tiene mayor roce entre las capas del fluido que el otro.

Por último, para pensar en lo expuesto, veamos una situación que resulta especialmente interesante para analizar:

Se tiene una caja, por ejemplo una caja de detergente llena o cualquier envase, con su producto.

Todos sabemos que la mayoría de esos envases de caja tiene tres caras con distintas medidas de superficies. Si la empujamos, ¿en qué posición (a, b o c) habrá más roce, o fricción, cuando la caja se desliza sobre una superficie?

El roce con el aire caliente la superficie de la nave.

Principio de conservación de la energía.

En el enunciado del principio de conservación de la energía es de capital importancia delimitar el sistema y clasificar las fuerzas como exteriores o interiores así como considerar si cuando el sistema evoluciona realizan trabajo o no.

También es importante clasificar las fuerzas en conservativas y disipativas .

El enunciado del principio de conservación será: “ En un sistema sobre el que no se realiza trabajo exterior alguno, la energía mecánica del mismo debe permanecer constante “.

Si en el sistema anterior hay fuerzas interiores no conservativas, como las fuerzas de roce cuyo trabajo supone una disipación de la energía mecánica del sistema, el principio anterior tendría que considerar el efecto del roce.

Fuentes Internet:

http://fisica.laguia2000.com/dinamica-clasica/fuerza-de-rozamiento

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/rozamiento/general/rozamiento.htm

http://www.hverdugo.cl/conceptos_pdf/fuerza_de_roce.pdf

http://www.profisica.cl/menus/menureforma.html