5.2 - Fuerzas de rozamiento

Hola y bienvenido al Proyecto Gustavo. Este es el Podcast Física 1.

Tema 5. Dinámica 2. Aplicación de las leyes de Newton.

Apartado 2. Fuerzas de rozamiento.

Vamos a ver un tipo de fuerzas muy habitual y con ciertas características particulares, las fuerzas de rozamiento. Estas fuerzas aparecen cuando dos superficies materiales están en contacto e intentan moverse una respecto a la otra, como un bloque que se desliza por el suelo. Son fuerzas que dependen de la naturaleza de las superficies que están en contacto. Su módulo depende de si las dos superficies realmente se están moviendo o no y su sentido depende del movimiento del cuerpo sobre el que actúa.

En cuanto a su origen se puede ver como el resultado de las interacciones entre las moléculas de las dos superficies en contacto. Desde un punto de vista microscópico se trata de un fenómeno difícil de estudiar, pero macroscópicamente, a vista de pájaro, podemos describir las fuerzas de rozamiento con bastante facilidad. En primer lugar, la fuerza de rozamiento sobre un cuerpo depende de la fuerza normal a la superficie. Recuerda de apartados anteriores, la normal es la fuerza que hace esa superficie sobre el cuerpo para sujetarlo.

Se llama normal porque es perpendicular a la superficie, y los matemáticos usan la palabra normal como sinónimo de perpendicular. La fuerza de rozamiento no parece depender del área de las superficies en contacto y, en primera aproximación, es constante. Si el cuerpo no se mueve, la fuerza de rozamiento se iguala a las demás fuerzas que intentan moverlo y su valor va desde cero hasta el producto de la fuerza normal por una constante llamada coeficiente de rozamiento estático. Si el cuerpo se mueve, la fuerza de rozamiento es igual a la normal por otra constante llamada coeficiente de rozamiento cinético o dinámico.

Para verlo claro, supongamos un cuerpo inicialmente en reposo sobre una superficie. Aplicamos una pequeña fuerza horizontal F sub a hacia la derecha. Y aparece una fuerza de rozamiento en la misma dirección y en sentido opuesto, en este caso hacia la izquierda. Eso sucede porque la fuerza de rozamiento se opone al movimiento. Si el cuerpo tendiese a moverse hacia la izquierda, la fuerza de rozamiento tendría sentido hacia la derecha. Esto es importante. La fuerza de rozamiento siempre le lleva la contraria al movimiento del cuerpo.

Es una de las diferencias entre la fuerza de rozamiento y las otras que hemos visto hasta ahora. Vamos a ir aumentando el valor de F sub a, esa fuerza horizontal hacia la derecha que estamos haciendo, y a ver cómo varía la fuerza de rozamiento. Al principio, cuando F sub a es pequeña, la fuerza de rozamiento la iguala y el cuerpo no se mueve.

Si hacemos F sub a más grande, la fuerza de rozamiento aumenta en la misma cuantía. Pero llega un momento en que la fuerza F sub a llega a un valor límite. Ese límite es proporcional a la fuerza normal. Así que podemos escribir F sub a como el producto mu sub e por la fuerza normal, donde mu sub e es un escalar sin dimensiones, llamado coeficiente de rozamiento estático.

¿Y qué pasa en ese límite F sub a igual mu sub e por la normal? Pues lo que es pasar no pasa nada. Pero lo interesante sucede cuando hacemos la fuerza F sub a justo un pelín mayor que esa cantidad. En ese momento el cuerpo se mueve, y no solo se mueve sino que arranca con una aceleración apreciable. Eso sucede porque, al moverse el cuerpo, la fuerza de rozamiento disminuye. Antes, en reposo, valía una cantidad que llegaba a mu sub e por la normal y ahora adopta otro valor que es también proporcional a la normal y que tiene forma similar. Fuerza de rozamiento igual a mu sub e por la normal.

Como ahora el cuerpo está en movimiento, hablamos de rozamiento cinético, y el coeficiente mu sub e se llama coeficiente de rozamiento cinético. Como el coeficiente de rozamiento cinético es menor que el estático, eso significa que es más difícil poner en movimiento un cuerpo que mantenerlo en movimiento. Si alguna vez has tenido que mover un frigorífico o un sofá, sabrás a qué me refiero. Empujas y el sofá no se mueve. Empujas más fuerte y tampoco.

Empujas un pelín más y de repente el sofá sale disparado hacia la otra pared. Como en otros aspectos de la vida, lo difícil es arrancar, pero una vez que lo has hecho, te cuesta menos seguir en movimiento. Vamos a volver al ejemplo del plano inclinado, ese que vimos en el apartado anterior pero ahora con rozamiento. El primer problema es que necesitamos saber qué va a hacer el cuerpo para saber qué sentido tiene la fuerza de rozamiento.

No es como la fuerza gravitatoria, que siempre va hacia abajo sin importar si el cuerpo sube o baja. Aquí sí importa lo que haga. Y no siempre vamos a tener claro cuál es el movimiento inicial del cuerpo, o si está moviéndose siquiera. Vamos a suponer, por suponer algo, que el cuerpo está deslizándose hacia la derecha y cayendo.

Volvemos a plantear nuestro sistema de coordenadas. Te recuerdo que aquí lo que hice fue girar el sistema cartesiano de siempre, de forma que el eje X sea el de la red.