Fuerza de fricción. Tipos de fricción

El nombre define la esencia.

proverbio japonés

La fuerza de fricción por rodadura, como lo demuestra la experiencia humana durante siglos, es aproximadamente un orden de magnitud menor que la fuerza de fricción por deslizamiento. A pesar de esto, la idea de un rodamiento no fue formulada por Virlo hasta 1772.

Consideremos los conceptos básicos de la fricción por rodadura. Cuando una rueda rueda sobre una base estacionaria y, al girar en ángulo, su eje (punto 0) se desplaza una cantidad, ese movimiento se llama balanceo limpio sin resbalar. Si la rueda (Fig. 51) se carga con una fuerza N, entonces para hacerla moverse es necesario aplicar un par. Esto se puede lograr aplicando una fuerza F en su centro. En este caso, el momento de fuerza F con respecto al punto O 1 será igual al momento de resistencia a la rodadura.

Fig.51. Circuito de pura rodadura

Si la rueda (Fig. 51) se carga con una fuerza N, entonces para hacerla moverse es necesario aplicar un par. Esto se puede lograr aplicando una fuerza F en su centro. En este caso, el momento de fuerza F con respecto al punto O 1 será igual al momento de resistencia a la rodadura.

Coeficiente de fricción de rodadura es la relación entre el momento impulsor y la carga normal. Esta cantidad tiene la dimensión de longitud.

Característica adimensional - coeficiente de resistencia a la rodadura es igual a la relación entre el trabajo de la fuerza impulsora F en una trayectoria unitaria y la carga normal:

donde: A es el trabajo de la fuerza motriz;

Longitud de un solo camino;

M - momento de fuerza motriz;

El ángulo de rotación de la rueda correspondiente a la trayectoria.

Por tanto, la expresión para el coeficiente de fricción durante el rodamiento y el deslizamiento es diferente.

Cabe señalar que la adherencia del cuerpo rodante a la pista no debe exceder la fuerza de fricción; de lo contrario, la rodadura se convertirá en deslizamiento.

Consideremos el movimiento de una bola a lo largo de la pista de un rodamiento (Fig. 52a). Tanto el círculo diametral más grande como los círculos más pequeños de secciones paralelas están en contacto con la vía. El camino recorrido por un punto en círculos de diferentes radios es diferente, es decir, se produce un deslizamiento.

Cuando una bola o un rodillo rueda a lo largo de un plano (o cilindro interno), el contacto se produce en un punto o a lo largo de una línea sólo en teoría. En unidades de fricción reales, bajo la influencia de cargas de trabajo, se produce una deformación de la zona de contacto. En este caso, la bola está en contacto en un círculo determinado y el rodillo está en contacto en un rectángulo. En ambos casos, la rodadura va acompañada de la formación y destrucción de uniones de fricción, como ocurre con la fricción por deslizamiento.

El rodillo, debido a la deformación de la pista de rodadura, recorre un camino más corto que la longitud de su circunferencia. Esto se nota claramente cuando un cilindro rígido de acero rueda sobre una superficie plana de goma elástica (figura 52b). Si la carga provoca sólo deformaciones elásticas e, entonces se restablece la trayectoria de rodadura. Durante las deformaciones plásticas, la pista de rodadura permanece.

Fig.52. Rodando: a - una bola sobre una pista, b - un cilindro sobre una base elástica

Debido a la desigualdad de trayectorias (a lo largo de la circunferencia del rodillo y a lo largo de la superficie de soporte), se produce un deslizamiento.

Ahora se ha establecido que casi no se reduce la fricción por deslizamiento (por deslizamiento) mejorando la calidad del procesamiento de las superficies de contacto o el uso de lubricantes. De ello se deduce que la fuerza de fricción por rodadura no se debe en gran medida al deslizamiento, sino a la disipación de energía durante la deformación. Dado que la deformación es principalmente elástica, las pérdidas por fricción por rodadura son el resultado de la histéresis elástica.

La histéresis elástica consiste en la dependencia de la deformación bajo las mismas cargas de la secuencia (multiplicidad) de influencias, es decir, del historial de carga. Parte de la energía se almacena en el cuerpo deformable y cuando se supera un determinado umbral de energía, las partículas de desgaste se separan: destrucción. Las mayores pérdidas se producen al rodar sobre una base viscoelástica (polímeros, caucho), las más pequeñas, sobre un metal de alto módulo (rieles de acero).

La fórmula empírica para determinar la fuerza de fricción por rodadura es:

donde: D es el diámetro del cuerpo rodante.

El análisis de la fórmula muestra que la fuerza de fricción aumenta:

Con carga normal creciente;

Con una disminución del tamaño del cuerpo rodante.

A medida que aumenta la velocidad de rodadura, la fuerza de fricción cambia poco, pero aumenta el desgaste. El aumento de la velocidad de conducción debido al diámetro de la rueda reduce la fuerza de fricción de rodadura.

Fricción rodante

Fricción rodante- resistencia al movimiento que se produce cuando los cuerpos ruedan unos sobre otros. Aparece, por ejemplo, entre los elementos de los rodamientos, entre el neumático de un automóvil y la superficie de la carretera. En la mayoría de los casos, el valor de la fricción de rodadura es mucho menor que el valor de la fricción de deslizamiento, en igualdad de condiciones y, por lo tanto, la rodadura es un tipo común de movimiento en la tecnología.

La fricción por rodadura se produce en la interfaz de dos cuerpos y, por tanto, se clasifica como un tipo de fricción externa.

Fuerza de fricción rodante

Sea sobre un cuerpo de rotación situado sobre un soporte el que actúa

Si la suma vectorial de estas fuerzas es cero

entonces el eje de simetría del cuerpo se mueve de manera uniforme y rectilínea o permanece inmóvil (ver Fig. 1). El vector determina la fuerza de fricción de rodadura que se opone al movimiento. Esto significa que la fuerza aerodinámica está equilibrada por la componente vertical de la reacción del suelo y la fuerza externa está equilibrada por la componente tangencial de la reacción del suelo.

El rodamiento uniforme también significa que la suma de los momentos de las fuerzas alrededor de un punto arbitrario es igual a cero. Desde el equilibrio con respecto al eje de rotación de los momentos de fuerzas que se muestran en la Fig. 2 y 3, sigue:

Fundación Wikimedia.

2010.

La fuerza de fricción de rodadura se describe como: Ftr=ktr(Fn/r), donde ktr es el coeficiente de fricción y Fn es la fuerza de presión, y r es el radio de la rueda. La dimensión del coeficiente de fricción de rodadura es, naturalmente, [longitud]. A continuación se muestra una tabla de rangos útiles de coeficientes de fricción de rodadura para varios pares de materiales en cm.

Nota. El asterisco indica los materiales utilizados en los dispositivos de freno y fricción.

Coeficientes de fricción de rodadura.

La fuerza de fricción por rodadura se describe como:

F tr =k tr (F norte /r), donde k tr es el coeficiente de fricción y F n es la fuerza de presión y r es el radio de la rueda.

La dimensión del coeficiente de fricción de rodadura es, naturalmente, [longitud].

A continuación se muestra una tabla de rangos útiles de coeficientes de fricción de rodadura para varios pares de materiales en cm.

Fuerza de fricción deslizante- fuerzas que surgen entre cuerpos en contacto durante su movimiento relativo. Si no hay una capa líquida o gaseosa (lubricante) entre los cuerpos, entonces dicha fricción se llama seco. De lo contrario, la fricción se llama "fluida". Un rasgo característico de la fricción seca es la presencia de fricción estática.

Se ha establecido experimentalmente que la fuerza de fricción depende de la fuerza de presión de los cuerpos entre sí (fuerza de reacción de apoyo), de los materiales de las superficies de fricción, de la velocidad del movimiento relativo y No Depende del área de contacto. (Esto puede explicarse por el hecho de que ningún cuerpo es absolutamente plano. Por lo tanto, el área de contacto real es mucho menor que la observada. Además, al aumentar el área, reducimos la presión específica de los cuerpos entre sí). La cantidad que caracteriza las superficies de fricción se llama coeficiente de fricción, y suele denotarse con la letra latina “k” o la letra griega “μ”. Depende de la naturaleza y la calidad del procesamiento de las superficies de fricción. Además, el coeficiente de fricción depende de la velocidad. Sin embargo, la mayoría de las veces esta dependencia se expresa débilmente y si no se requiere una mayor precisión de medición, entonces "k" puede considerarse constante.

En una primera aproximación, la magnitud de la fuerza de fricción por deslizamiento se puede calcular mediante la fórmula:

Dónde

Coeficiente de fricción por deslizamiento,

Fuerza de reacción normal del suelo.

Según la física de la interacción, la fricción se suele dividir en:

• Seco, cuando los sólidos que interactúan no están separados por capas/lubricantes adicionales, un caso muy raro en la práctica. Un rasgo característico de la fricción seca es la presencia de una fuerza de fricción estática significativa.
• Secar con lubricante seco (polvo de grafito)
• Líquido, durante la interacción de cuerpos separados por una capa de líquido o gas (lubricante) de diferente espesor; por regla general, ocurre durante la fricción por rodadura, cuando los cuerpos sólidos se sumergen en un líquido;
• Mixto, cuando la zona de contacto contenga zonas de fricción seca y líquida;
• De frontera, cuando la zona de contacto puede contener capas y zonas de diferente naturaleza (películas de óxido, líquido, etc.) es el caso más común de fricción por deslizamiento.

Debido a la complejidad de los procesos fisicoquímicos que ocurren en la zona de interacción de fricción, los procesos de fricción en principio no pueden describirse utilizando los métodos de la mecánica clásica.

Durante los procesos mecánicos siempre se produce, en mayor o menor medida, una transformación del movimiento mecánico en otras formas de movimiento de la materia (la mayoría de las veces en una forma de movimiento térmico). En este último caso, las interacciones entre cuerpos se denominan fuerzas de fricción.

Los experimentos con el movimiento de varios cuerpos en contacto (sólido sobre sólido, sólido en líquido o gas, líquido en gas, etc.) con diferentes estados de las superficies de contacto muestran que las fuerzas de fricción aparecen durante el movimiento relativo de los cuerpos en contacto y están dirigidas. contra el vector de velocidad relativa tangencialmente a las superficies de contacto. En este caso siempre se produce un calentamiento de los cuerpos que interactúan.

Las fuerzas de fricción son las interacciones tangenciales entre cuerpos en contacto que surgen durante su movimiento relativo. Las fuerzas de fricción que surgen durante el movimiento relativo de varios cuerpos se denominan fuerzas de fricción externas.

Las fuerzas de fricción también surgen durante el movimiento relativo de partes de un mismo cuerpo. La fricción entre capas de un mismo cuerpo se llama fricción interna.

En los movimientos reales siempre surgen fuerzas de fricción de mayor o menor magnitud. Por tanto, al elaborar ecuaciones de movimiento, estrictamente hablando, siempre debemos introducir la fuerza de fricción F tr en el número de fuerzas que actúan sobre el cuerpo.

Un cuerpo se mueve de manera uniforme y rectilínea cuando una fuerza externa equilibra la fuerza de fricción que surge durante el movimiento.

Para medir la fuerza de fricción que actúa sobre un cuerpo basta con medir la fuerza que se debe aplicar al cuerpo para que se mueva sin aceleración.

Fricción(interacción de fricción) es el proceso de interacción de los cuerpos durante su movimiento relativo (desplazamiento) o durante el movimiento de un cuerpo en un medio gaseoso o líquido.

La rama de la física que estudia los procesos de fricción se llama tribología(mecánica de interacción friccional).

La fricción suele dividirse en:

• seco cuando los sólidos que interactúan no están separados por capas/lubricantes adicionales (incluidos los lubricantes sólidos), un caso muy raro en la práctica; un rasgo característico de la fricción seca es la presencia de una fuerza de fricción estática significativa;
• Perímetro cuando el área de contacto puede contener capas y áreas de diferente naturaleza (películas de óxido, líquido, etc.), el caso más común de fricción por deslizamiento;
• líquido(viscoso), que ocurre durante la interacción de cuerpos separados por una capa de sólido (polvo de grafito), líquido o gas (lubricante) de espesor variable; generalmente ocurre durante la fricción por rodadura, cuando los cuerpos sólidos se sumergen en un líquido, la magnitud de la fricción viscosa se caracteriza por la viscosidad del medio;
• mezclado cuando el área de contacto contenga áreas de fricción seca y líquida;
• elastohidrodinámico(viscoelástico), cuando la fricción interna en el lubricante es crítica. Ocurre cuando aumentan las velocidades relativas de movimiento.

Fuerza de fricción- esta es una fuerza que surge en el punto de contacto de los cuerpos e impide su movimiento relativo.

Causas de la fuerza de fricción:

• rugosidad de las superficies de contacto;
• atracción mutua de moléculas de estas superficies.

Fricción de deslizamiento– una fuerza que surge durante el movimiento de traslación de uno de los cuerpos en contacto/que interactúan con respecto a otro y actúa sobre este cuerpo en dirección opuesta a la dirección de deslizamiento.

Fricción rodante– momento de fuerza que se produce cuando uno de dos cuerpos en contacto o que interactúan rueda con respecto al otro.

Fricción estática– una fuerza que surge entre dos cuerpos en contacto e impide que se produzca un movimiento relativo. Esta fuerza debe superarse para poner en movimiento dos cuerpos en contacto entre sí.

La fuerza de fricción es directamente proporcional a la fuerza de la reacción normal, es decir, depende de qué tan fuertemente se presionan los cuerpos entre sí y de su material, por lo que la principal característica de la fricción es coeficiente de fricción, que está determinado por los materiales a partir de los cuales están hechas las superficies de los cuerpos que interactúan.

Tener puesto– un cambio en el tamaño, forma, masa o condición de la superficie de un producto debido a la destrucción (desgaste) de la capa superficial debido a la fricción.

El funcionamiento de cualquier máquina va inevitablemente acompañado de fricción durante el movimiento relativo de sus piezas, por lo que es imposible eliminar por completo el desgaste. La cantidad de desgaste durante el contacto directo de las superficies es directamente proporcional al trabajo de las fuerzas de fricción.

La abrasión es causada en parte por el polvo y la suciedad, por lo que es muy importante mantener limpio el equipo, especialmente sus piezas de fricción.

Para combatir el desgaste y la fricción, reemplazan algunos metales por otros más estables, aplican tratamientos térmicos y químicos a las superficies de fricción, procesamiento mecánico de precisión, así como reemplazan los metales con varios sustitutos, cambian el diseño, mejoran la lubricación (cambian la apariencia, introducen aditivos), etc.

En las máquinas, se esfuerzan por evitar la fricción por deslizamiento directo de las superficies sólidas, para lo cual las separan con una capa de lubricante (fricción fluida) o introducen elementos rodantes adicionales entre ellas (rodamientos de bolas y de rodillos).

La regla básica para diseñar las piezas de fricción de las máquinas es que el elemento más caro y difícil de reemplazar del par de fricción (eje) esté hecho de un material más duro y resistente al desgaste (acero duro), y que sea más simple, más barato y más fácil de reemplazar. Las piezas (cascos de cojinete) están hechas de un material relativamente blando con un bajo coeficiente de fricción (bronce, Babbitt).

La mayoría de las piezas de las máquinas fallan precisamente debido al desgaste, por lo que reducir la fricción y el desgaste incluso entre un 5% y un 10% proporciona enormes ahorros, lo cual es de excepcional importancia.

Lista de enlaces

1. Fricción // Wikipedia. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Friction.
2. Desgaste (técnica) // Wikipedia. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Wear_(equipo).
3. Fricción en máquinas, fricción y desgaste en ingeniería mecánica // Proyecto-Tekhnar. Tecnologías automotrices progresivas. – http://www.studiplom.ru/Technology/Trenie.html.

Preguntas para el control

1. ¿Qué es la fricción?
2. ¿Qué tipos de fricción existen?
3. ¿Qué causa la fuerza de fricción?
4. ¿Cómo se clasifica la fricción en función de las fuerzas actuantes?
5. ¿Qué es el desgaste y cómo afrontarlo?

Si intentas mover un armario pesado lleno de cosas, de alguna manera quedará claro de inmediato que no todo es tan simple y que algo claramente interfiere con la buena causa de poner las cosas en orden.

• Y el obstáculo al movimiento no será más que trabajo de la fuerza de fricción, que se estudia en el curso de física de séptimo grado.

Encontramos fricción a cada paso. En el sentido literal de la palabra. Sería más exacto decir que sin fricción no podemos ni dar un paso, ya que son las fuerzas de fricción las que mantienen nuestros pies en la superficie.

Cualquiera de nosotros sabe lo que es caminar sobre una superficie muy resbaladiza, sobre hielo, si es que a este proceso se le puede llamar caminar. Es decir, inmediatamente vemos las ventajas obvias de la fuerza de fricción. Sin embargo, antes de hablar sobre los beneficios o daños de las fuerzas de fricción, consideremos primero qué es la fuerza de fricción en física.

Fuerza de fricción en física y sus tipos.

La interacción que se produce en el punto de contacto de dos cuerpos e impide su movimiento relativo se llama fricción. Y la fuerza que caracteriza esta interacción se llama fuerza de fricción.

• Hay tres tipos de fricción: fricción por deslizamiento, fricción estática y fricción por rodadura.

Fricción estática

En nuestro caso, cuando intentamos mover el gabinete, resoplamos, empujamos y nos sonrojamos, pero no movimos el gabinete ni un centímetro. ¿Qué mantiene el gabinete en su lugar? Fuerza de fricción estática. Ahora otro ejemplo: si ponemos nuestra mano sobre un cuaderno y lo movemos a lo largo de la mesa, entonces el cuaderno se moverá junto con nuestra mano, sostenido por la misma fuerza de fricción estática.

Fricción estática sujeta los clavos clavados en la pared, evita que los cordones de los zapatos se desaten espontáneamente y también mantiene nuestro armario en su sitio para que nosotros, apoyando accidentalmente los hombros en él, no atropellemos a nuestro querido gato, que de repente se tumbó a dormir una siesta en paz. y silencio entre el armario y la pared.

Fricción de deslizamiento

Volvamos a nuestro proverbial armario. Finalmente nos dimos cuenta de que no podríamos moverlo solos y pedimos ayuda a un vecino. Al final, después de rascar todo el piso, sudar, asustar al gato, pero aún sin descargar cosas del armario, lo trasladamos a otro rincón.

¿Qué encontramos excepto nubes de polvo y un trozo de pared sin papel tapiz? Que cuando aplicamos una fuerza que excede la fuerza de fricción estática, el gabinete no solo se movió de su lugar, sino que también (con nuestra ayuda, por supuesto) continuó moviéndose más, hasta el lugar que necesitábamos. Y el esfuerzo que hubo que dedicar a moverlo fue aproximadamente el mismo durante todo el viaje.

• En este caso, nos vimos obstaculizados fuerza de fricción deslizante. La fuerza de fricción por deslizamiento, al igual que la fuerza de fricción estática, se dirige en dirección opuesta a la fuerza aplicada.

Fricción rodante

En el caso de que un cuerpo no se deslice sobre una superficie, sino que ruede, la fricción que surge en el punto de contacto se llama fricción por rodadura. La rueda que rueda se presiona ligeramente contra la carretera y delante de ella se forma un pequeño bache que hay que superar. Esto es lo que causa la fricción por rodadura.

Cuanto más dura sea la carretera, menor será la fricción al rodar. Por eso conducir por autopista es mucho más fácil que hacerlo sobre arena. En la gran mayoría de los casos, la fricción por rodadura es significativamente menor que la fricción por deslizamiento. Por eso se utilizan mucho ruedas, cojinetes, etc.

Causas de las fuerzas de fricción.

Primero es la rugosidad de la superficie. Esto se entiende bien con el ejemplo de las tablas del suelo o de la superficie de la Tierra. En el caso de superficies más lisas, por ejemplo, el hielo o un techo cubierto con láminas de metal, las rugosidades son casi invisibles, pero esto no significa que no existan. Estas asperezas e irregularidades se adhieren entre sí e interfieren con el movimiento.

La segunda razón Es una atracción intermolecular que actúa en los puntos de contacto de cuerpos que se frotan. Sin embargo, la segunda razón aparece principalmente sólo en el caso de carrocerías muy bien pulidas. Básicamente se trata de la primera causa de las fuerzas de fricción. Y en este caso, para reducir la fuerza de fricción, se suele utilizar lubricante.

• Una capa de lubricante, generalmente líquido, separa las superficies de fricción y las capas de líquido se frotan entre sí, cuya fuerza de fricción es varias veces menor.

Ensayo sobre el tema "Fuerza de fricción"

En el curso de física de séptimo grado, los escolares reciben tarea para escribir un ensayo sobre el tema "Fuerza de fricción". Un ejemplo de un ensayo sobre este tema sería algo como esto:

“Supongamos que decidimos ir a visitar a nuestra abuela en tren durante las vacaciones. Y no saben que justo en ese momento, de repente, sin motivo alguno, la fuerza de fricción desapareció. Nos despertamos, nos levantamos de la cama y nos caemos, ya que no existe fuerza de fricción entre el suelo y las piernas.

Empezamos a calzarnos los zapatos y no podemos atar los cordones, que no sujetan por la falta de fricción. Las escaleras en general son difíciles, el ascensor no funciona, lleva mucho tiempo en el sótano. Después de contar absolutamente todos los pasos con el coxis y de alguna manera arrastrarnos hasta la parada, descubrimos un nuevo problema: ni un solo autobús se detuvo en la parada.

Milagrosamente nos subimos al tren, pensamos en lo hermoso que es: aquí es bueno, se consume menos combustible, ya que las pérdidas por fricción se reducen a cero, llegaremos más rápido. Pero aquí está el problema: no hay fuerza de fricción entre las ruedas y los rieles y, por lo tanto, ¡el tren no tiene nada desde donde impulsarse! Entonces, en general, de alguna manera no es el destino ir con la abuela sin la fuerza de la fricción”.

Los beneficios y daños de la fricción.

Por supuesto, esto es una fantasía y está llena de simplificaciones líricas. En la vida todo es un poco diferente. Pero, de hecho, a pesar de que existen desventajas obvias de la fuerza de fricción, que nos crean una serie de dificultades en la vida, es obvio que sin la existencia de fuerzas de fricción, habría muchos más problemas. Por tanto, debemos hablar tanto del daño de las fuerzas de fricción como de los beneficios de las mismas fuerzas de fricción.

Ejemplos de aspectos útiles de las fuerzas de fricción. se puede decir que podemos caminar sobre el suelo, que nuestra ropa no se desmorona, ya que los hilos de la tela se mantienen en su lugar gracias a las mismas fuerzas de fricción, que echando arena en un camino helado, mejoramos la tracción para para evitar un accidente.

bien y daño por fuerzas de fricción Es el problema del movimiento de grandes cargas, el problema del desgaste de las superficies de fricción, así como la imposibilidad de crear una máquina de movimiento perpetuo, ya que debido a la fricción cualquier movimiento tarde o temprano se detiene, requiriendo una influencia externa constante.

La gente ha aprendido a adaptarse y reducir o aumentar las fuerzas de fricción, dependiendo de la necesidad. Estos incluyen ruedas, lubricación, afilado y mucho más. Hay muchos ejemplos y es obvio que es imposible decir de manera inequívoca: la fricción es buena o mala. Pero existe y nuestra tarea es aprender a utilizarlo en beneficio humano.

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