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Fricción

El plato azul tiene más fricción en la superficie inclinada que el verde y, por lo tanto, se desliza más lentamente. Bloques simulados con superficies rugosas fractales , que ex...

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El plato azul tiene más fricción en la superficie inclinada que el verde y, por lo tanto, se desliza más lentamente.
Bloques simulados con superficies rugosas fractales , que exhiben interacciones friccionales estáticas [ 1 ]

La fricción es la fuerza que se opone al movimiento relativo de superficies sólidas, capas de fluidos y elementos materiales que se deslizan o rozan entre sí. [ 2 ] [ 3 ] Los tipos de fricción incluyen la seca, la fluida, la lubricada, la superficial y la interna; esta es una lista incompleta. El estudio de los procesos involucrados se llama tribología y tiene una historia de más de 2000 años. [ 4 ]

La fricción puede tener consecuencias drásticas, como lo demuestra el uso de la fricción generada al frotar trozos de madera para encender un fuego . Otra consecuencia importante de muchos tipos de fricción es el desgaste , que puede provocar una degradación del rendimiento o daños en los componentes. Se sabe que las pérdidas de energía por fricción representan aproximadamente el 20 % del gasto energético total del mundo. [ 5 ] [ 4 ]

Existen muchos factores que contribuyen a la fuerza de frenado por fricción, desde la deformación de las asperezas hasta la generación de cargas y cambios en la estructura local . Cuando dos cuerpos en contacto se mueven uno respecto al otro, debido a estos diversos factores, parte de la energía mecánica se transforma en calor , energía libre de cambios estructurales y otros tipos de disipación . La energía total disipada por unidad de distancia recorrida es la fuerza de frenado por fricción , F = E/d . La complejidad de las interacciones involucradas dificulta el cálculo de la fricción a partir de principios fundamentales , y a menudo resulta más sencillo utilizar métodos empíricos para el análisis y el desarrollo de la teoría. [ 3 ] [ 2 ]

Tipos

Existen varios tipos de fricción:

  • La fricción seca es una fuerza que se opone al movimiento lateral relativo de dos superficies sólidas en contacto. Se subdivide en fricción estática ( adherencia ) entre superficies inmóviles y fricción cinética entre superficies móviles. A excepción de la fricción atómica o molecular, la fricción seca generalmente surge de la interacción de las irregularidades superficiales, conocidas como asperezas (véase la figura).
  • La fricción de fluidos describe la fricción entre capas de un fluido viscoso que se mueven una con respecto a la otra. [ 6 ] [ 7 ]
  • La fricción lubricada es un caso de fricción fluida donde un fluido lubricante separa dos superficies sólidas. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]
  • La fricción de la piel es un componente de la resistencia aerodinámica , la fuerza que se opone al movimiento de un fluido sobre la superficie de un cuerpo.
  • La fricción interna es la fuerza que se opone al movimiento entre los elementos que componen un material sólido mientras este se deforma . [ 7 ] [ 4 ]

Historia

Muchos autores antiguos, entre ellos Aristóteles , Vitruvio y Plinio el Viejo , se interesaron por la causa y la mitigación de la fricción. [ 11 ] Eran conscientes de las diferencias entre la fricción estática y la cinética; Temistio afirmó en el año 350 d. C. que «es más fácil impulsar el movimiento de un cuerpo en movimiento que mover un cuerpo en reposo». [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

Las leyes clásicas de la fricción por deslizamiento fueron descubiertas por Leonardo da Vinci en 1493, un pionero en tribología , pero las leyes documentadas en sus cuadernos no fueron publicadas y permanecieron desconocidas. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Estas leyes fueron redescubiertas por Guillaume Amontons en 1699 [ 21 ] y se conocieron como las tres leyes de Amontons de la fricción seca. Amontons presentó la naturaleza de la fricción en términos de irregularidades de la superficie y la fuerza requerida para levantar el peso que presiona las superficies entre sí. Esta visión fue elaborada posteriormente por Bernard Forest de Bélidor [ 22 ] y Leonhard Euler (1750), quien derivó el ángulo de reposo de un peso en un plano inclinado y distinguió por primera vez entre fricción estática y cinética. [ 23 ] John Theophilus Desaguliers (1734) reconoció por primera vez el papel de la adhesión en la fricción. [ 24 ] Las fuerzas microscópicas hacen que las superficies se peguen entre sí; propuso que la fricción era la fuerza necesaria para separar las superficies adheridas.

La comprensión de la fricción fue desarrollada aún más por Charles-Augustin de Coulomb (1785). [ 21 ] Coulomb investigó la influencia de cuatro factores principales en la fricción: la naturaleza de los materiales en contacto y sus recubrimientos superficiales, la extensión del área superficial, la presión normal (o carga) y el tiempo que las superficies permanecieron en contacto (tiempo de reposo). [ 15 ] Coulomb también consideró la influencia de la velocidad de deslizamiento, la temperatura y la humedad, para decidir entre las diferentes explicaciones sobre la naturaleza de la fricción que se habían propuesto. La distinción entre fricción estática y dinámica se hace en la ley de fricción de Coulomb (ver más adelante), aunque esta distinción ya fue trazada por Johann Andreas von Segner en 1758. [ 15 ] El efecto del tiempo de reposo fue explicado por Pieter van Musschenbroek (1762) al considerar las superficies de materiales fibrosos, con fibras que se enroscan entre sí, lo que requiere un tiempo finito en el que la fricción aumenta.

John Leslie (1766–1832) señaló una debilidad en las ideas de Amontons y Coulomb: Si la fricción surge de un peso que se eleva por el plano inclinado de sucesivas asperezas , ¿por qué no se equilibra al descender por la pendiente opuesta? Leslie era igualmente escéptico sobre el papel de la adhesión propuesto por Desaguliers, que en general debería tener la misma tendencia a acelerar que a retardar el movimiento. [ 15 ] En opinión de Leslie, la fricción debe considerarse como un proceso dependiente del tiempo de aplanamiento, presionando las asperezas, lo que crea nuevos obstáculos en lo que antes eran cavidades.

El calor generado por la fricción es captado por una cámara térmica.

En el largo proceso de desarrollo de la ley de conservación de la energía y de la primera ley de la termodinámica , se reconoció la fricción como un modo de conversión del trabajo mecánico en calor . En 1798, Benjamin Thompson informó sobre experimentos de perforación con cañones. [ 25 ]

Arthur Jules Morin (1833) desarrolló el concepto de fricción por deslizamiento frente a fricción por rodadura.

En 1842, Julius Robert Mayer generó calor por fricción en pulpa de papel y midió el aumento de temperatura. [ 26 ] En 1845, Joule publicó un artículo titulado "El equivalente mecánico del calor", en el que especificó un valor numérico para la cantidad de trabajo mecánico necesario para "producir una unidad de calor", basándose en la fricción de una corriente eléctrica que pasa a través de una resistencia y en la fricción de una rueda de paletas que gira en una cuba de agua. [ 27 ]

Osborne Reynolds (1866) derivó la ecuación del flujo viscoso. Esto completó el modelo empírico clásico de fricción (estática, cinética y fluida) comúnmente utilizado hoy en día en ingeniería. [ 16 ] En 1877, Fleeming Jenkin y JA Ewing investigaron la continuidad entre la fricción estática y la cinética. [ 28 ]

En 1907, GH Bryan publicó una investigación sobre los fundamentos de la termodinámica, titulada « Termodinámica: un tratado introductorio que trata principalmente de los primeros principios y sus aplicaciones directas» . Observó que, para un cuerpo rugoso impulsado sobre una superficie rugosa, el trabajo mecánico realizado por el impulsor supera el trabajo mecánico recibido por la superficie. El trabajo perdido se explica por el calor generado por la fricción. [ 29 ]

A lo largo de los años, por ejemplo en su tesis de 1879, pero particularmente en 1926, Planck abogó por considerar la generación de calor por frotamiento como la forma más específica de definir el calor y el ejemplo principal de un proceso termodinámico irreversible. [ 30 ]

El enfoque de la investigación durante el siglo XX ha sido comprender los mecanismos físicos detrás de la fricción. Frank Philip Bowden y David Tabor (1950) demostraron que, a nivel microscópico , el área real de contacto entre superficies es una fracción muy pequeña del área aparente. [ 17 ] Esta área real de contacto, causada por asperezas, aumenta con la presión. El desarrollo del microscopio de fuerza atómica (ca. 1986) permitió a los científicos estudiar la fricción a escala atómica , [ 16 ] mostrando que, a esa escala, la fricción seca es el producto de la tensión de corte entre superficies y el área de contacto. Estos dos descubrimientos explican la primera ley de Amonton (abajo) ; la proporcionalidad macroscópica entre la fuerza normal y la fuerza de fricción estática entre superficies secas.

Fricción seca

La fricción seca resiste el movimiento lateral relativo de dos superficies sólidas en contacto. Existen dos regímenes de fricción seca: la fricción estática ( adherencia ) entre superficies inmóviles y la fricción cinética (a veces denominada fricción de deslizamiento o fricción dinámica) entre superficies en movimiento.

La fuerza de fricción siempre se ejerce en una dirección que se opone al movimiento (en el caso de la fricción cinética) o al movimiento potencial (en el caso de la fricción estática) entre las dos superficies. Por ejemplo, una piedra de curling que se desliza sobre el hielo experimenta una fuerza cinética que la frena. Como ejemplo de movimiento potencial, las ruedas motrices de un automóvil que acelera experimentan una fuerza de fricción que apunta hacia adelante; de ​​no ser así, las ruedas girarían y el caucho se deslizaría hacia atrás sobre el pavimento. Cabe destacar que no se oponen a la dirección del movimiento del vehículo, sino a la dirección del deslizamiento (potencial) entre el neumático y la carretera.

Las propiedades elementales de la fricción por deslizamiento (cinética) fueron descubiertas experimentalmente entre los siglos XV y XVIII y se expresaron mediante tres leyes empíricas:

La fricción de Coulomb, que recibe su nombre de Charles-Augustin de Coulomb , es un modelo aproximado que se utiliza para calcular la fuerza de fricción seca. Se rige por el modelo: [ 31 ]FF≤μFnorte,{\displaystyle F_{\mathrm {f} }\leq \mu F_{\mathrm {n} },} dónde

  • FF{\displaystyle F_{\mathrm {f} }}es la fuerza de fricción que ejerce cada superficie sobre la otra. Es paralela a la superficie y se dirige en sentido contrario a la fuerza neta aplicada.
  • μ{\displaystyle \mu }es el coeficiente de fricción, que es una propiedad empírica de los materiales en contacto,
  • Fnorte{\displaystyle F_{\mathrm {n} }}es la fuerza normal ejercida por cada superficie sobre la otra, dirigida perpendicularmente (normal) a la superficie.

La fricción de CoulombFF{\displaystyle F_{\mathrm {f} }}puede tomar cualquier valor desde cero hastaμFnorte{\displaystyle \mu F_{\mathrm {n} }}y la dirección de la fuerza de fricción contra una superficie es opuesta al movimiento que experimentaría esa superficie en ausencia de fricción. Por lo tanto, en el caso estático, la fuerza de fricción es exactamente la que debe ser para evitar el movimiento entre las superficies; equilibra la fuerza neta que tiende a causar dicho movimiento. En este caso, en lugar de proporcionar una estimación de la fuerza de fricción real, la aproximación de Coulomb proporciona un valor umbral para esta fuerza, por encima del cual comenzaría el movimiento. Esta fuerza máxima se conoce como tracción .

Fricción estática

Cuando la masa está en reposo, el objeto experimenta fricción estática. La fricción aumenta a medida que aumenta la fuerza aplicada hasta que el bloque se mueve. Una vez que el bloque se mueve, experimenta fricción cinética, que es menor que la fricción estática máxima.

La fricción estática es la fricción entre dos o más objetos sólidos que no se mueven uno con respecto al otro. Por ejemplo, la fricción estática puede impedir que un objeto se deslice por una superficie inclinada. El coeficiente de fricción estática, que normalmente se denota como μs , suele ser mayor que el coeficiente de fricción cinética. Se considera que la fricción estática surge como resultado de las irregularidades superficiales en múltiples escalas de longitud en las superficies sólidas. Estas irregularidades, conocidas como asperezas , están presentes hasta en dimensiones nanométricas y dan lugar a un contacto sólido-sólido real que existe solo en un número limitado de puntos que representan solo una fracción del área de contacto aparente o nominal. [ 32 ] La linealidad entre la carga aplicada y el área de contacto real, que surge de la deformación de las asperezas, da lugar a la linealidad entre la fuerza de fricción estática y la fuerza normal, que se encuentra en la fricción típica de tipo Amonton-Coulomb. [ 33 ]

La fuerza de fricción estática debe ser vencida por una fuerza aplicada antes de que un objeto pueda moverse. La fuerza de fricción máxima posible entre dos superficies antes de que comience el deslizamiento es el producto del coeficiente de fricción estática y la fuerza normal.Fmáximo=μsFnorte{\displaystyle F_{\text{max}}=\mu _{\mathrm {s} }F_{\text{n}}}Cuando no hay deslizamiento, la fuerza de fricción puede tener cualquier valor desde cero hastaFmáximo{\displaystyle F_{\text{máx}}}Cualquier fuerza menor queFmáximo{\displaystyle F_{\text{máx}}}Al intentar deslizar una superficie sobre la otra, se encuentra con una fuerza de fricción de igual magnitud y dirección opuesta. Cualquier fuerza mayor queFmáximo{\displaystyle F_{\text{máx}}}supera la fuerza de fricción estática y provoca el deslizamiento. En el instante en que se produce el deslizamiento, la fricción estática deja de ser aplicable; la fricción entre las dos superficies se denomina entonces fricción cinética. Sin embargo, puede observarse una fricción estática aparente incluso cuando la fricción estática real es cero. [ 34 ]

Un ejemplo de fricción estática es la fuerza que impide que una rueda de coche resbale al rodar sobre el suelo. Aunque la rueda esté en movimiento, la superficie del neumático en contacto con el suelo permanece fija con respecto a este, por lo que se trata de fricción estática, no cinética. Al resbalar, la fricción de la rueda se convierte en fricción cinética. Un sistema de frenos antibloqueo (ABS) funciona permitiendo que una rueda bloqueada vuelva a girar para que el coche mantenga la fricción estática.

El valor máximo de fricción estática, cuando el movimiento es inminente, a veces se denomina fricción límite , [ 35 ] aunque este término no se usa universalmente. [ 6 ]

Fricción cinética

La fricción cinética , también conocida como fricción dinámica o fricción de deslizamiento , se produce cuando dos objetos se mueven uno respecto al otro y se frotan entre sí (como un trineo sobre el suelo). El coeficiente de fricción cinética se suele denotar como μk y suele ser menor que el coeficiente de fricción estática para los mismos materiales. [ 36 ] [ 37 ] Sin embargo, Richard Feynman comenta que «con metales secos es muy difícil demostrar alguna diferencia». [ 38 ] La fuerza de fricción entre dos superficies después de que comienza el deslizamiento es el producto del coeficiente de fricción cinética y la fuerza normal:Fk=μkFnorte{\ Displaystyle F_ {k} = \ mu _ {\ mathrm {k}} F_ {n}}Esto es lo que provoca la amortiguación de Coulomb en un sistema oscilante o vibrante .

Función de la fuerza normal

Diagrama de cuerpo libre de un bloque sobre una rampa. Las flechas representan vectores que indican la dirección y la magnitud de las fuerzas. N es la fuerza normal, mg es la fuerza de gravedad y Ff es la fuerza de fricción.

La fuerza normal se define como la fuerza neta que comprime dos superficies paralelas, y su dirección es perpendicular a las superficies. En el caso simple de una masa que descansa sobre una superficie horizontal, el único componente de la fuerza normal es la fuerza debida a la gravedad, dondenorte=metrogramo{\displaystyle N=mg\,}En este caso, las condiciones de equilibrio nos dicen que la magnitud de la fuerza de fricción es cero .FF=0{\displaystyle F_{f}=0}De hecho, la fuerza de fricción siempre satisfaceFF≤μnorte{\displaystyle F_{f}\leq \mu N}, donde la igualdad se alcanza solo en un ángulo de rampa crítico (dado porbroncearse−1⁡μ{\displaystyle \tan ^{-1}\mu}) que sea lo suficientemente empinada como para iniciar un deslizamiento.

El coeficiente de fricción es una propiedad estructural empírica (medida experimentalmente) que depende únicamente de diversos aspectos de los materiales en contacto, como la rugosidad de la superficie. El coeficiente de fricción no depende de la masa ni del volumen. Por ejemplo, un bloque grande de aluminio tiene el mismo coeficiente de fricción que uno pequeño. Sin embargo, la magnitud de la fuerza de fricción sí depende de la fuerza normal y, por lo tanto, de la masa del bloque.

Dependiendo de la situación, el cálculo de la fuerza normalnorte{\displaystyle N}podría incluir fuerzas distintas a la gravedad. Si un objeto está sobre una superficie horizontal y está sometido a una fuerza externa.PAG{\displaystyle P}tendiendo a hacer que se deslice, entonces la fuerza normal entre el objeto y la superficie es simplementenorte=metrogramo+PAGy{\displaystyle N=mg+P_{y}}, dóndemetrogramo{\displaystyle mg}es el peso del bloque yPAGy{\displaystyle P_{y}}es la componente descendente de la fuerza externa. Antes de deslizarse, esta fuerza de fricción esFF=−PAGincógnita{\displaystyle F_{f}=-P_{x}}, dóndePAGincógnita{\displaystyle P_{x}}es la componente horizontal de la fuerza externa. Por lo tanto,FF≤μnorte{\displaystyle F_{f}\leq \mu N}en general. El deslizamiento comienza solo después de que esta fuerza de fricción alcanza el valorFF=μnorte{\displaystyle F_{f}=\mu N}Hasta entonces, la fricción es la que sea necesaria para proporcionar equilibrio, por lo que puede tratarse simplemente como una reacción.

Si el objeto está sobre una superficie inclinada como un plano inclinado, la fuerza normal de la gravedad es menor quemetrogramo{\displaystyle mg}, porque una menor parte de la fuerza de gravedad es perpendicular a la cara del plano. La fuerza normal y la fuerza de fricción se determinan finalmente mediante análisis vectorial , generalmente a través de un diagrama de cuerpo libre .

En general, el proceso para resolver cualquier problema de estática con fricción consiste en tratar las superficies en contacto tentativamente como inmóviles para poder calcular la fuerza de reacción tangencial correspondiente entre ellas. Si esta fuerza de reacción por fricción satisfaceFF≤μnorte{\displaystyle F_{f}\leq \mu N}, entonces la suposición tentativa era correcta, y es la fuerza de fricción real. De lo contrario, la fuerza de fricción debe establecerse igual aFF=μnorte{\displaystyle F_{f}=\mu N}y entonces el desequilibrio de fuerzas resultante determinaría la aceleración asociada con el deslizamiento.

Ángulo de fricción, θ , cuando el bloque comienza a deslizarse.

Función del ángulo

Para ciertas aplicaciones, resulta más útil definir la fricción estática en términos del ángulo máximo antes del cual uno de los elementos comenzará a deslizarse. Esto se denomina ángulo de fricción o ángulo de fricción . Se define como: broncearse⁡θ=μs{\displaystyle \tan {\theta }=\mu _{\mathrm {s} }} y por lo tanto: θ=arctan⁡μs{\displaystyle \theta =\arctan {\mu _{\mathrm {s} }}} dóndeθ{\displaystyle \theta }es el ángulo con respecto a la horizontal y μ s es el coeficiente de fricción estática entre los objetos. [ 39 ] Esta fórmula también se puede utilizar para calcular μ s a partir de mediciones empíricas del ángulo de fricción.

Coeficiente de fricción

El coeficiente de fricción (CF), a menudo simbolizado por la letra griega μ , es un valor escalar adimensional que equivale a la relación entre la fuerza de fricción entre dos cuerpos y la fuerza que los presiona entre sí, ya sea durante o al inicio del deslizamiento. El coeficiente de fricción depende de los materiales utilizados; por ejemplo, el hielo sobre acero tiene un coeficiente de fricción bajo, mientras que el caucho sobre pavimento tiene un coeficiente de fricción alto. Los coeficientes de fricción varían desde valores cercanos a cero hasta mayores que uno. El coeficiente de fricción entre dos superficies de metales similares es mayor que el que existe entre dos superficies de metales diferentes; por ejemplo, el latón tiene un coeficiente de fricción mayor cuando se mueve contra latón, pero menor si se mueve contra acero o aluminio. [ 40 ]

Para superficies en reposo relativas entre sí,μ=μs{\displaystyle \mu =\mu _{\mathrm {s} }}, dóndeμs{\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }}es el coeficiente de fricción estática . Este suele ser mayor que su contraparte cinética. El coeficiente de fricción estática que presentan dos superficies en contacto depende de los efectos combinados de las características de deformación del material y la rugosidad de la superficie , las cuales tienen su origen en los enlaces químicos entre los átomos de cada uno de los materiales a granel y entre las superficies del material y cualquier material adsorbido . Se sabe que la fractalidad de las superficies, un parámetro que describe el comportamiento de escala de las asperezas superficiales, desempeña un papel importante en la determinación de la magnitud de la fricción estática. [ 1 ]

Para superficies en movimiento relativoμ=μk{\displaystyle \mu =\mu _{\mathrm {k} }}, dóndeμk{\displaystyle \mu _{\mathrm {k} }}es el coeficiente de fricción cinética . La fricción de Coulomb es igual aFF{\displaystyle F_{\mathrm {f} }}y la fuerza de fricción sobre cada superficie se ejerce en la dirección opuesta a su movimiento con respecto a la otra superficie.

Arthur Morin introdujo el término y demostró la utilidad del coeficiente de fricción. [ 15 ] El coeficiente de fricción es una medida empírica : debe medirse experimentalmente y no puede obtenerse mediante cálculos. [ 41 ] Las superficies más rugosas tienden a tener valores efectivos más altos. Tanto el coeficiente de fricción estática como el cinético dependen del par de superficies en contacto; para un par de superficies dado, el coeficiente de fricción estática suele ser mayor que el de fricción cinética; en algunos casos, los dos coeficientes son iguales, como en el caso del teflón sobre teflón.

La mayoría de los materiales secos combinados tienen coeficientes de fricción entre 0,3 y 0,6. Los valores fuera de este rango son más raros, pero el teflón , por ejemplo, puede tener un coeficiente tan bajo como 0,04. Un valor de cero significaría que no hay fricción alguna, una propiedad difícil de alcanzar. El caucho en contacto con otras superficies puede producir coeficientes de fricción de 1 a 2. Ocasionalmente se afirma que μ siempre es < 1, pero esto no es cierto. Si bien en la mayoría de las aplicaciones relevantes μ < 1, un valor superior a 1 simplemente implica que la fuerza necesaria para deslizar un objeto a lo largo de la superficie es mayor que la fuerza normal de la superficie sobre el objeto. Por ejemplo, las superficies recubiertas de caucho de silicona o caucho acrílico tienen un coeficiente de fricción que puede ser sustancialmente mayor que 1.

Aunque a menudo se afirma que el coeficiente de fricción es una "propiedad del material", es mejor clasificarlo como una "propiedad del sistema". A diferencia de las verdaderas propiedades del material (como la conductividad, la constante dieléctrica, el límite elástico), el coeficiente de fricción para dos materiales cualesquiera depende de variables del sistema como la temperatura , la velocidad , la atmósfera y también lo que ahora se describe popularmente como tiempos de envejecimiento y desenvejecimiento , así como de las propiedades geométricas de la interfaz entre los materiales, es decir, la estructura de la superficie . [ 1 ] Por ejemplo, un pasador de cobre que se desliza contra una placa gruesa de cobre puede tener un coeficiente de fricción que varía de 0,6 a bajas velocidades (metal deslizándose contra metal) a menos de 0,2 a altas velocidades cuando la superficie de cobre comienza a fundirse debido al calentamiento por fricción. Esta última velocidad, por supuesto, no determina el coeficiente de fricción de forma unívoca; si se aumenta el diámetro del pasador de modo que el calentamiento por fricción se elimine rápidamente, la temperatura baja, el pasador permanece sólido y el coeficiente de fricción aumenta hasta el de una prueba a "baja velocidad".

En sistemas con campos de tensión significativamente no uniformes, debido a que el deslizamiento local ocurre antes de que el sistema se deslice, el coeficiente macroscópico de fricción estática depende de la carga aplicada, el tamaño del sistema o la forma; la ley de Amontons no se satisface macroscópicamente. [ 42 ]

Coeficientes de fricción aproximados

Fuentes de fricción

La imagen superior muestra las asperezas sin carga. La imagen inferior muestra la misma superficie después de aplicar una carga.

La fricción se debe a diversos procesos de disipación de energía. El modelo básico, detallado por primera vez por Bowden y Tabor [ 52 ] , implica el contacto de pequeñas protuberancias en superficies llamadas asperezas . A medida que aumenta la carga, aumenta el número y el área de contacto de las asperezas, lo que da lugar a la dependencia de la fricción con la fuerza normal. Al deslizarse estas asperezas unas sobre otras, se producen procesos de deformación tanto plástica como elástica , entre otros. La fuerza de fricción es la energía disipada por unidad de distancia por estos procesos, cuyo resultado neto suele ser la fórmula lineal de Coulomb mencionada anteriormente. [ 52 ]

Estudios experimentales sobre la fricción por deslizamiento en seco en materiales de ingeniería han demostrado que la fricción y el desgaste están controlados no solo por las condiciones de contacto nominales, sino también por la evolución microestructural cercana a la superficie, la generación de residuos y las transformaciones triboquímicas durante el deslizamiento. Revisiones y estudios experimentales han demostrado que la deformación plástica, la fractura, la transferencia de material, la mezcla mecánica y la oxidación pueden contribuir a la transición entre regímenes de desgaste leve y severo en contactos metálicos secos. [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]

La importancia de los residuos y el material de “tercer cuerpo” formado en el contacto también se ha demostrado experimentalmente, ya que las tribopartículas compactadas pueden acelerar el daño o formar capas interfaciales protectoras que reducen el contacto directo metal-metal. [ 57 ] En aceros, las pruebas de deslizamiento en seco han demostrado que el nivel de dureza, la carga y la velocidad de deslizamiento pueden influir fuertemente en la estabilidad de la fricción y la tasa de desgaste, mientras que el desgaste oxidativo puede volverse dominante bajo condiciones de deslizamiento adecuadas. [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] Trabajos relacionados en aceros inoxidables y aleaciones de titanio muestran además que la fricción de deslizamiento en seco es altamente sensible al tamaño de partícula abrasiva, el material de la contraparte y la formación o ruptura de capas protectoras de triboóxido, lo que puede cambiar el mecanismo de desgaste dominante de un comportamiento oxidativo relativamente leve a una delaminación severa o daño abrasivo. [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] Las investigaciones experimentales indican además que factores ambientales como la carga de hidrógeno, el régimen de lubricación y la carga cíclica pueden influir significativamente en los mecanismos de iniciación de grietas y la estabilidad de la fricción en aleaciones estructurales. [ 66 ]

Desglose del modelo de Coulomb

A pesar de ser un modelo simplificado de fricción, el modelo de Coulomb es útil en muchas aplicaciones de simulación numérica , como sistemas multicuerpo y materiales granulares . Incluso su expresión más simple encapsula los efectos fundamentales de adherencia y deslizamiento que se requieren en muchos casos aplicados, aunque se deben diseñar algoritmos específicos para integrar numéricamente de manera eficiente sistemas mecánicos con fricción de Coulomb y contacto bilateral o unilateral. [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] Algunos efectos bastante no lineales , como las llamadas paradojas de Painlevé , pueden encontrarse con la fricción de Coulomb. [ 72 ]

La aproximación de Coulomb se deriva de las siguientes suposiciones: que las superficies están en contacto atómicamente cercano solo en una pequeña fracción de su área total; que esta área de contacto es proporcional a la fuerza normal (hasta la saturación, que ocurre cuando toda el área está en contacto atómico); y que la fuerza de fricción es proporcional a la fuerza normal aplicada, independientemente del área de contacto; esto proviene del trabajo sobre asperezas de Bowden y Tabor. [ 52 ] La aproximación de Coulomb es fundamentalmente una construcción empírica. Es una regla práctica que describe el resultado aproximado de una interacción física extremadamente compleja. La fortaleza de la aproximación radica en su simplicidad y versatilidad. Aunque la relación entre la fuerza normal y la fuerza de fricción no es exactamente lineal (y, por lo tanto, la fuerza de fricción no es completamente independiente del área de contacto de las superficies), la aproximación de Coulomb es una representación adecuada de la fricción para el análisis de muchos sistemas físicos.

Cuando las superficies están en contacto, la fricción de Coulomb se convierte en una aproximación muy deficiente (por ejemplo, la cinta adhesiva resiste el deslizamiento incluso sin fuerza normal o con fuerza normal negativa). En este caso, la fuerza de fricción puede depender en gran medida del área de contacto. Algunos neumáticos de carreras de aceleración son adhesivos por esta razón. Sin embargo, a pesar de la complejidad de la física fundamental que rige la fricción, las relaciones son lo suficientemente precisas como para ser útiles en muchas aplicaciones.

Fricción seca e inestabilidades

La fricción seca puede inducir varios tipos de inestabilidades en sistemas mecánicos que muestran un comportamiento estable en ausencia de fricción. [ 73 ] Estas inestabilidades pueden ser causadas por la disminución de la fuerza de fricción con el aumento de la velocidad de deslizamiento, por la expansión del material debido a la generación de calor durante la fricción (las inestabilidades termoelásticas), o por efectos dinámicos puros del deslizamiento de dos materiales elásticos (las inestabilidades de Adams-Martins). Estas últimas fueron descubiertas originalmente en 1995 por George G. Adams y João Arménio Correia Martins para superficies lisas [ 74 ] [ 75 ] y posteriormente se encontraron en superficies rugosas periódicas. [ 76 ] En particular, se cree que las inestabilidades dinámicas relacionadas con la fricción son responsables del chirrido de los frenos y del "canto" de un arpa de cristal , [ 77 ] [ 78 ] fenómenos que implican adherencia y deslizamiento, modelados como una caída del coeficiente de fricción con la velocidad. [ 79 ]

Un caso de importancia práctica es la autooscilación de las cuerdas de instrumentos de cuerda frotada como el violín , el violonchelo , la zanfona , el erhu , etc.

Se ha descubierto una conexión entre la fricción seca y la inestabilidad de aleteo en un sistema mecánico simple, [ 80 ] vea el video archivado el 11/12/2025 en Wayback Machine para más detalles. Las inestabilidades friccionales pueden conducir a la formación de nuevos patrones autoorganizados (o "estructuras secundarias") en la interfaz de deslizamiento, como las tribopelículas formadas in situ que se utilizan para la reducción de la fricción y el desgaste en los llamados materiales autolubricantes. [ 81 ]

Fricción a nanoescala

En 2008, los científicos lograron por primera vez mover un solo átomo sobre una superficie y medir las fuerzas necesarias. Utilizando un vacío ultraalto y una temperatura cercana a cero (5 K), se empleó un microscopio de fuerza atómica modificado para arrastrar un átomo de cobalto y una molécula de monóxido de carbono sobre superficies de cobre y platino . [ 82 ]

A partir de 2012Un único estudio ha demostrado el potencial de un coeficiente de fricción efectivamente negativo en el régimen de baja carga , lo que significa que una disminución de la fuerza normal conlleva un aumento de la fricción. Esto contradice la experiencia cotidiana en la que un aumento de la fuerza normal conlleva un aumento de la fricción. [ 83 ] Esto se informó en la revista Nature en octubre de 2012 e involucró la fricción encontrada por la punta de un microscopio de fuerza atómica al ser arrastrada sobre una lámina de grafeno en presencia de oxígeno adsorbido en el grafeno. [ 83 ]

El origen de la fricción cinética a nanoescala puede explicarse mediante un modelo energético. [ 84 ] Durante el deslizamiento, se forma una nueva superficie en la parte posterior de un contacto verdadero deslizante, y la superficie existente desaparece en la parte frontal. Dado que todas las superficies implican energía superficial termodinámica, se requiere trabajo para crear la nueva superficie, y se libera energía en forma de calor al eliminar la superficie. Por lo tanto, se necesita una fuerza para mover la parte posterior del contacto, y se libera calor por fricción en la parte frontal.

En determinadas condiciones, algunos materiales presentan coeficientes de fricción muy bajos. Un ejemplo es el grafito (pirolítico altamente ordenado), que puede tener un coeficiente de fricción inferior a 0,01. [ 85 ] Este régimen de fricción ultrabaja se denomina superlubricidad . [ 86 ]

Fricción de fluidos

La fricción entre fluidos se produce entre capas que se mueven una respecto a la otra. Esta resistencia interna al flujo se denomina viscosidad . En términos sencillos, la viscosidad de un fluido se describe como su "espesor". Así, el agua es "fluida", con una viscosidad menor, mientras que la miel es "espesa", con una viscosidad mayor. Cuanto menos viscoso sea el fluido, mayor será su facilidad de deformación o movimiento.

Todos los fluidos reales (excepto los superfluidos ) ofrecen cierta resistencia al corte y, por lo tanto, son viscosos. Para fines didácticos y explicativos, resulta útil utilizar el concepto de fluido no viscoso o fluido ideal , que no ofrece resistencia al corte y, por consiguiente, no es viscoso.

Fricción lubricada

La fricción lubricada es un caso de fricción fluida donde un fluido separa dos superficies sólidas. La lubricación es una técnica empleada para reducir el desgaste de una o ambas superficies cercanas que se mueven una respecto a la otra, mediante la interposición de una sustancia llamada lubricante entre ellas. En la mayoría de los casos, la carga aplicada es soportada por la presión generada dentro del fluido debido a la resistencia viscosa por fricción al movimiento del fluido lubricante entre las superficies. Una lubricación adecuada permite un funcionamiento continuo y suave del equipo, con un desgaste mínimo y sin tensiones excesivas ni agarrotamientos en los cojinetes. Cuando la lubricación falla, los componentes metálicos u otros pueden rozarse destructivamente entre sí, causando calor y posiblemente daños o fallas. [ 87 ]

Fricción de la piel

La fricción superficial surge de la interacción entre el fluido y la piel de un objeto, y está directamente relacionada con el área de la superficie del cuerpo que está en contacto con el fluido. La fricción superficial sigue la ecuación de arrastre y aumenta con el cuadrado de la velocidad. [ 88 ]

La fricción superficial se produce por la resistencia viscosa en la capa límite alrededor del objeto. Existen dos maneras de disminuir la fricción superficial: la primera consiste en dar forma al cuerpo en movimiento para que sea posible un flujo suave, como un perfil aerodinámico. El segundo método consiste en disminuir la longitud y la sección transversal del objeto en movimiento tanto como sea posible. [ 88 ]

fricción interna

La fricción interna es la fuerza que se opone al movimiento entre los elementos que componen un material sólido mientras este se deforma . El caso mejor comprendido es la fuerza de arrastre sobre las dislocaciones debida a las vibraciones atómicas ( arrastre de fonones ), [ 89 ] aunque las interacciones electrónicas también pueden influir. [ 90 ] Asimismo, existen contribuciones de fuerzas disipativas sobre el movimiento de los límites de grano en los metales, [ 91 ] y se observan fenómenos similares en materiales vítreos como los vidrios . [ 92 ]

fricción por radiación

Como consecuencia de la presión de la luz, Einstein [ 93 ] predijo en 1909 la existencia de la «fricción por radiación», que se opondría al movimiento de la materia. Escribió: «La radiación ejercerá presión en ambos lados de la placa. Las fuerzas de presión ejercidas en ambos lados son iguales si la placa está en reposo. Sin embargo, si está en movimiento, se reflejará más radiación en la superficie que se encuentra delante (superficie frontal) que en la superficie posterior. Por lo tanto, la fuerza de presión que actúa hacia atrás sobre la superficie frontal es mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la posterior. De ahí que, como resultante de ambas fuerzas, quede una fuerza que contrarresta el movimiento de la placa y que aumenta con su velocidad. A esta resultante la llamaremos brevemente "fricción por radiación"».

Otros tipos de fricción

Resistencia a la rodadura

La resistencia a la rodadura es la fuerza que se opone al movimiento de una rueda u otro objeto circular sobre una superficie, causada por deformaciones en el objeto o la superficie. Generalmente, la fuerza de resistencia a la rodadura es menor que la asociada a la fricción cinética. [ 94 ] Los valores típicos del coeficiente de resistencia a la rodadura para ruedas de acero sobre una vía son de 0,001. [ 95 ] Uno de los ejemplos más comunes de resistencia a la rodadura, con un coeficiente de alrededor de 0,02, es el movimiento de los neumáticos de los vehículos de motor sobre una carretera , un proceso que genera calor y sonido como subproductos. [ 96 ]

Fricción de frenado

Cualquier rueda equipada con freno es capaz de generar una gran fuerza de frenado, generalmente para reducir la velocidad y detener un vehículo o una máquina giratoria. La fricción de frenado difiere de la fricción de rodadura porque el coeficiente de fricción de rodadura es pequeño, mientras que el coeficiente de fricción de frenado se diseña para que sea grande mediante la selección de materiales para las pastillas de freno .

Efecto triboeléctrico

El roce de dos materiales puede provocar una transferencia de carga, ya sean electrones o iones. La energía necesaria para ello contribuye a la fricción. Además, el deslizamiento puede causar una acumulación de carga electrostática , que puede ser peligrosa si hay gases o vapores inflamables presentes. Cuando la acumulación estática se descarga, la ignición de la mezcla inflamable puede provocar explosiones . Sin embargo, como se ha comentado recientemente [ 97 ] , el grado en que la triboelectricidad contribuye a la fricción es controvertido, con algunas afirmaciones que indican una gran contribución [ 98 ] , mientras que otras sostienen que es pequeña debido a que la transferencia de carga puede ocurrir con muestras superlubricantes [ 99 ] .

Fricción de la correa

La fricción de la correa es una propiedad física que se observa en las fuerzas que actúan sobre una correa enrollada alrededor de una polea cuando se tira de un extremo. La tensión resultante, que actúa sobre ambos extremos de la correa, puede modelarse mediante la ecuación de fricción de la correa.

En la práctica, la tensión teórica que actúa sobre la correa o cuerda, calculada mediante la ecuación de fricción, puede compararse con la tensión máxima que la correa puede soportar. Esto ayuda al diseñador de dicho sistema a saber cuántas veces debe enrollarse la correa o cuerda alrededor de la polea para evitar que se deslice. Los alpinistas y las tripulaciones de vela demuestran un conocimiento básico de la fricción de las correas al realizar tareas sencillas.

Reducción de la fricción

Dispositivos

Dispositivos como ruedas, rodamientos de bolas , rodamientos de rodillos y cojinetes de aire u otros tipos de cojinetes hidráulicos pueden transformar la fricción por deslizamiento en un tipo de fricción por rodadura mucho menor.

Muchos materiales termoplásticos como el nailon , el HDPE y el PTFE se utilizan comúnmente en cojinetes de baja fricción . Son especialmente útiles porque el coeficiente de fricción disminuye al aumentar la carga aplicada. [ 100 ] Para una mayor resistencia al desgaste, se suelen especificar grados de muy alto peso molecular para cojinetes de servicio pesado o críticos.

lubricantes

Una forma común de reducir la fricción es mediante el uso de un lubricante , como aceite, agua o grasa, que se coloca entre las dos superficies, disminuyendo a menudo drásticamente el coeficiente de fricción. La ciencia de la fricción y la lubricación se denomina tribología . La tecnología de lubricantes consiste en la combinación de lubricantes con la aplicación de la ciencia, especialmente para fines industriales o comerciales.

La superlubricidad, un efecto descubierto recientemente, se ha observado en el grafito : consiste en una disminución sustancial de la fricción entre dos objetos que se deslizan, acercándose a niveles nulos. Aun así, se disiparía una cantidad mínima de energía de fricción.

Los lubricantes para superar la fricción no tienen por qué ser siempre fluidos ligeros y turbulentos o sólidos en polvo como el grafito y el talco ; la lubricación acústica utiliza el sonido como lubricante.

Otra forma de reducir la fricción entre dos piezas es superponer vibraciones a microescala a una de ellas. Estas pueden ser vibraciones sinusoidales, como las que se utilizan en el corte asistido por ultrasonidos, o ruido de vibración, conocido como dither .

Aplicaciones

La fricción es un factor importante en muchas disciplinas de la ingeniería .

Transporte

Medición

  • Un tribómetro es un instrumento que mide la fricción en una superficie.
  • Un perfilógrafo es un dispositivo que se utiliza para medir la rugosidad de la superficie del pavimento.

Uso doméstico

  • La fricción se utiliza para calentar y encender cerillas (fricción entre la cabeza de una cerilla y la superficie de fricción de la caja de cerillas). [ 103 ]
  • Las almohadillas adhesivas se utilizan para evitar que los objetos se deslicen sobre superficies lisas, aumentando eficazmente el coeficiente de fricción entre la superficie y el objeto.

Véase también

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