¿Por qué la fricción de rodadura es menor que la fricción de deslizamiento?

Answer 1

La fricción de rodadura siempre debe ser menor que la fricción de deslizamiento, ya que para que un objeto ruede , la fuerza de fricción entre él y la superficie debe ser lo suficientemente grande como para evitar que el objeto se deslice .

Cuando se aplica una fuerza lateral a través del centro de gravedad de un objeto, esa fuerza tiene dos componentes: 1) una fuerza directa que intenta superar la fricción y deslizar el objeto, y 2) un torque que usa la fricción para producir una rotación de la objeto levantando su centro de gravedad sobre el borde de ataque.

Un objeto ancho y plano, como una tabla o un libro, colocado sobre su lado tenderá a deslizarse, porque el par de torsión necesario para elevar el centro de gravedad sobre el borde delantero es grande en comparación con la fuerza necesaria para superar la fricción. El mismo lugar ancho y plano del objeto en su borde delgado tenderá a girar (rodar), porque el par de torsión necesario para elevar su centro de gravedad en ese borde corto es comparativamente pequeño.

Por lo tanto, la fricción de rodadura siempre debe ser menor que la fricción de deslizamiento, por definición, porque para que un objeto ruede, la contrafuerza de fricción que conduce al par de torsión debe ser más pequeña que la contrafuerza de fricción que se debe superar para un deslizamiento.

Una rueda es un caso especial en el que (idealmente) el centro de gravedad del objeto nunca necesita ser levantado. Colocada sobre una superficie sin fricción, una rueda se deslizará en lugar de rodar, debido a que se debe aplicar cierta fuerza para superar la inercia de rotación de la rueda, y el único lugar del que podría provenir la fuerza es la fricción con la superficie. Si la fuerza necesaria para superar la fricción y crear una corredera es cada vez más pequeña que la fuerza necesaria para superar la inercia de rotación de la rueda, la rueda no rodará.

Answer 2

En primer lugar, no es una ley de la naturaleza que la resistencia a la rodadura sea menor que la fricción por deslizamiento (como una fracción de la carga normal). La mayoría de los objetos, cuando se colocan en la parte superior de cualquier superficie y se les da algún impulso, prefieren deslizarse en lugar de rodar. Toma objetos que son lo suficientemente circulares y superficies que son lo suficientemente pegajosas para comenzar a rodar. La humanidad tuvo que seleccionar y construir tales objetos a propósito y cuando lo hicimos, fue un gran avance: habíamos descubierto la rueda . Una rueda, por definición, es un mecanismo que prefiere rodar en lugar de deslizarse.

La resistencia a la rodadura en las ruedas es tan baja y siempre más baja que la fricción de deslizamiento porque las hemos construido para que sean muy circulares, muy suaves y muy duras, y las superficies en las que están rodando sean igualmente planas, lisas y duras. El mecanismo que produce la resistencia a la rodadura ha sido explicado en las respuestas por Ajey Dayani y Ted Wrigley. Las ruedas están hechas para ser buenas en eso.

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Para aclarar la afirmación de la pregunta, se detalla que “la fricción no depende del área de contacto de la superficie, ¿cómo explicamos la afirmación anterior? “: El OP significa que, dado que el contacto rodante es un contacto de línea o punto en lugar de un contacto en la superficie de acoplamiento y, por lo tanto, mucho más pequeño (¡pero con una mayor presión de contacto debido a la misma carga!), ¿es esta una explicación para que la resistencia a la rodadura sea menor que la fricción de deslizamiento? La fricción no depende del área de contacto)?

– Esa afirmación es cierta para deslizamiento de fricción. Sin embargo, para la resistencia a la rodadura no es cierto; De hecho, la resistencia a la rodadura varía con el área de contacto y más específicamente con la longitud del parche de contacto . * El parche de contacto es pequeño en las ruedas precisamente porque están diseñadas para una baja resistencia a la rodadura. Pero eso no tiene que ver con la fricción deslizante, por lo que no contradice la ley de Amontons.

* Una buena manera de visualizar por qué sería esto sería considerar intentar rodar “ruedas” que son polígonos normales. Descubrirás que cuantos más lados tenga un polígono, más fácil será rodar. Pero al mismo tiempo, también verá una reducción en el área nominal de contacto. A medida que un polígono normal se acerca a la forma de un círculo, con un número creciente de lados y un área de contacto reducida, en algún punto, su resistencia a la rodadura será menor que su fricción deslizante.

Answer 3

Estás comparando manzanas y naranjas aquí. No siempre es que la fricción de rodadura sea menor que la fricción de deslizamiento.

La resistencia a la rodadura no funciona en el mismo mecanismo que el deslizamiento. Las fricciones estáticas y cinéticas son una consecuencia de la propiedad de la superficie y la fricción de rodadura es la consecuencia de la elasticidad del material de los cuerpos en contacto. La fricción aparece debido a la histéresis en la bola (o en cualquier rueda). La rueda real no es un cuerpo 100% elástico. Es causada principalmente por efectos no elásticos; es decir, no se recupera toda la energía necesaria para la deformación (o movimiento) de la rueda, la plataforma, etc. cuando se elimina la presión.

Cada vez que rueda, la rueda (y la carretera) experimentan series de compresión y expansión de forma periódica debido al peso de la rueda (o del vehículo). Cuando la rueda vuelve de su posición comprimida, no se recupera toda la energía. Algo de energía se disipa en forma de calor. Y de ahí la pérdida de energía.

La fricción de rodadura no es realmente fricción . Se debe a la no rigidez y al carácter no elástico de los cuerpos. Puedes probar un simple experimento. Inflar bien un neumático. Si desea ver su resistencia a la rodadura, simplemente manténgala a cierta altura y suéltela. Si rebota a la misma altura, significa que es altamente elástico y tendrá una resistencia a la rodadura muy baja. Si no rebota mucho, no es elástico y tendrá una alta resistencia a la rodadura.

Esto también es válido para el camino en el que circulas. El camino debe ser elástico para una menor resistencia a la rodadura. Pruebe el mismo experimento en diferentes tipos de carretera (carretera de alquitrán, carretera de hormigón, carretera de lodo y arena). Encontrará que un montón de arena es altamente inelástico (no recupera su forma cuando se elimina la fuerza) y, por lo tanto, la resistencia a la rodadura sobre la arena será muy alta (como podría haber experimentado).

Así que es el La elasticidad del neumático y del material de la carretera, no la rugosidad de la superficie, lo que contribuye a la resistencia a la rodadura. La rugosidad de la superficie es importante solo para asegurarse de que no se produzca deslizamiento al rodar. Idealmente, si ambos son cuerpos elásticos, es decir, no hay histéresis, el neumático rodará para siempre, independientemente de cuán alto (debe ser mayor que cero) el coeficiente de fricción estática o cinética está entre las dos superficies.

Es importante tener en cuenta que la fricción estática que ayuda a la rodadura no participa en la disipación de energía. Por ejemplo, si está intentando empujar una mesa pesada y no se mueve, la fricción estática se opone a la fuerza que está aplicando. Pero como no se mueve, no se realiza ningún trabajo ni se pierde energía. La energía no se pierde debido a la fricción estática.

Ahora, si tienes una bola muy suave (bajo coeficiente de fricción cinética) que no está bien inflada (altamente inelástica) no rodará bien pero se deslizará sin perder energía. En este caso, la resistencia a la rodadura es más que la resistencia al deslizamiento. Por lo tanto, no tiene sentido comparar la resistencia a la rodadura con la fricción de deslizamiento. En la naturaleza, sucede que encontramos más cuerpos que están más cerca de ser elásticos que cuerpos altamente lisos . Y, por lo tanto , parece que la resistencia a la rodadura es casi siempre menor que la fricción por deslizamiento.

Answer 4

La fricción es un tema que normalmente se ha evitado en la física; Es más un tema de ingeniería. La razón es simple: ¡es muy difícil de entender! Además, a menudo depende de los detalles de la naturaleza microscópica de la superficie del material. ¿Es microscópicamente rugoso o liso? ¿Cuáles son las fuerzas atómicas potenciales entre los dos materiales?

Eso está cambiando. Gracias a los microscopios de exploración de túneles, estamos aprendiendo cosas sorprendentes sobre superficies que nunca antes habíamos conocido. Pero la mayoría de las superficies en estudio son superficies casi perfectas, no el tipo de interés real para su pregunta.

Para casos muy simples, podemos considerar la rugosidad de la superficie del microscopio. Una superficie podría asentarse en las colinas y valles de la otra superficie, y se necesitaría algo de energía para que se muevan. Una vez que se mueven, simplemente golpean, pico a pico, y se elimina la fricción.

Una buena analogía es una rueda. Déjalo quieto en el suelo, y deprime el suelo. Para que funcione, tiene que rodar “cuesta arriba” para salir de esa depresión. Una vez que se está moviendo, las depresiones no tienen tiempo de formarse, por lo que la energía es menor.

Otra situación es cuando las dos superficies son muy planas y hay fuerzas intermoleculares sustanciales que las mantienen juntas. Probablemente haya experimentado colocar una placa plana de vidrio sobre una superficie lisa, particularmente si hay una gota de agua entre ellos, y las superficies son casi imposibles de desalojar. Ese es un caso cuando las fuerzas intermoleculares ejercen una gran influencia.

En las clases principales de física de pregrado, la fricción normalmente se discute (brevemente) en la clase introductoria del primer semestre, y luego no aparece nuevamente en el plan de estudios de 4 años. Algunas veces se discuten casos especiales (por ejemplo, una esfera que se mueve a través de un fluido viscoso) pero generalmente no. A veces, la fricción se menciona nuevamente cuando el estudiante es introducido a la mecánica lagrangiana; Al estudiante se le enseña cómo incluir un término de fricción. Pero el origen de la fricción no se discute en ese punto.

Answer 5

Para comprender el origen de la fricción / resistencia de ROLLING, es imperativo entender primero el concepto de TOPPLING como se muestra en la figura anterior.

1. La fuerza ejercida por una superficie en contacto tiene dos componentes: reacción normal (vertical) y fricción (horizontal)
2. La reacción normal se debe a la RIGIDEZ de la superficie y la fricción se debe a la superficie
3. La dirección normal (N) equilibra el peso del bloque (mg) que se muestra en la figura y la fuerza de fricción aparece en la imagen solo para oponerse a la fuerza horizontal aplicada con el fin de evitar deslizamientos / resbalones en el punto de contacto, pero tiene un valor límite -u (s ) N. Entonces, una fuerza mayor que u (s) N podrá causar deslizamiento, a pesar de los mejores esfuerzos de fricción, donde u (s) es el coeficiente de fricción estática.
4. A medida que comienza el deslizamiento, la magnitud de la fricción cae ligeramente = u (k) N, donde u (k) es el coeficiente de fricción cinética u (k) siempre es menor que u (s).
5. ¿Por qué u (k) es menor que u (s)? Hay muchas teorías en las que no me gustaría entrar, ya que requiere el estudio microscópico de la naturaleza exacta de las fuerzas superficiales que garantiza un enfoque mecánico cuántico. Puede satisfacerse con afirmaciones como, es más fácil mantenerlo desbloqueado que romper el bloqueo primero, asumiendo que la superficie de las superficies está en contacto, ya que el primero solo incluye contactos de pico a pico.
6. Ahora para analizar TOPPLING, considere la torsión sobre su centro de masa. La fuerza externa (F) y la fricción (f) generan un par en sentido contrario a las agujas del reloj al intentar derribar el bloque alrededor de su borde frontal, mientras que la reacción normal (N) genera un par en el sentido de las agujas del reloj para RESIST derribar sobre su borde delantero.
7. Tenga en cuenta que en el instante en que comienza el vuelco, la reacción normal se desplaza hacia el borde frontal, lo que lleva a aumentar la longitud de su BRAZO DE PALANCA, lo que genera un par resistivo más potente. Dado que la magnitud de la reacción normal está FIJA en mg, solo con desplazar a lo largo de la base puede RESISTENTAR el derrumbe.
8. Por lo tanto, la única forma de minimizar esta resistencia es hacer que la base sea NARROW lo más posible, lo que puede hacerse aumentando el número de lados del bloque POLYGON.
9. A medida que el número de lados se vuelve muy grande (tendiendo al infinito), la forma se aproxima a la circular y TOPPLING se vuelve rodante. La reacción normal está CONSTRUIDA para pasar a través del centro de masa todo el tiempo, paralizando el mecanismo de cambio de la generación de resistencia a ROLLING / TOPPLING.
10. Pero alguien ha comentado correctamente: “EL HOMBRE PROPONE A DIOS DISPONE”. Este truco de reducir el área de contacto es efectivo pero solo hasta el punto de MINIMIZAR la resistencia a la rodadura y no ELIMINARla completamente, ya que nada en este universo es PERFECTAMENTE RÍGIDO. Las superficies se someten a una DEFORMACIÓN PLÁSTICA al rodar sobre el borde de ataque de la rueda, lo que induce una ligera variación en la línea de acción de la reacción normal, lo que le permite ofrecer cierta resistencia a pesar de los mejores esfuerzos de MANKIND. Es por lo tanto una propiedad ineludible fundamental de la naturaleza.
11. Cuanto más pesada presiona la rueda contra la superficie, mayor es la deformación plástica inducida, es decir, f (rodando) = u (r) N, donde u (r) es el coeficiente de fricción / resistencia de rodadura y debe ser menor que la fricción de deslizamiento para lograr TOPPLE antes del objetivo DIAPOSITIVA.
12. Cuanto mayor sea la ELASTICIDAD de la rueda y del material de superficie, menor será la resistencia a la rodadura; por ejemplo, la rueda de acero del ferrocarril en las vías de acero rodará más lejos que una llanta de goma en la carretera en una configuración experimental similar.
13. u (balanceo) siempre debe ser menor que u (deslizamiento) que debe ser menor que u (estático).
14. Por lo tanto, está claro que un área de contacto más amplia aumentará la resistencia a la rodadura debido al brazo LEVER más largo disponible para la reacción normal, pero no tendría ningún impacto en la fricción estática y deslizante.
15. El coeficiente de fricción es un individuo altamente complicado y, aunque en la ecuación simplista eqn f = uN, puede parecer que es una constante, pero en realidad no lo es. Su valor depende de múltiples factores y condiciones de la superficie, por ejemplo, si elimina toda la suciedad de la superficie y la hace lo más suave posible, el coeficiente de fricción se vuelve incluso mayor que la unidad, ya que las moléculas en la superficie no tienen forma de saber si están en la superficie o dentro del solido De manera similar, durante el aterrizaje de un avión en una pista mojada, la fricción en las ruedas se reduce drásticamente debido a la formación de una capa delgada de vapor producido debido a la gran cantidad de calor generado en el impacto.

Answer 6

Ya hay muchas respuestas disponibles. Intento dar una explicación simple.

fricción de deslizamiento: la fricción de deslizamiento ocurre cuando una superficie se mueve sobre otra. Depende de la rugosidad de las dos superficies deslizantes. Eso significa que la fuerza de fricción depende de la suavidad o el acabado final de la superficie. Depende de la naturaleza del contacto superficial, no del área de contacto.

Fricción de rodadura: (el mejor ejemplo es la rueda) depende de la deformación de la rueda y de la superficie sobre la que rueda la rueda. Si la rueda es muy rígida y, por lo tanto, tiene menos deformación, el área de contacto es menor. Por lo tanto, la fricción de rodadura disminuye. Si la rueda está desinflada o la rueda se deforma bajo carga, la fricción aumenta. Depende del área y propiedades elásticas de los materiales involucrados. En teoría, la fricción de rodadura es más complicada de entender que la fricción de deslizamiento.

Para resumir, la fricción de deslizamiento depende de las irregularidades externas o la rugosidad de la superficie. No depende del área de contacto. La fricción de rodadura depende de la resistencia o las propiedades elásticas de los materiales y también depende del área de contacto.

En los ejemplos del mundo real, la mayoría de las veces la fricción de rodadura es menor que la fricción de deslizamiento.

Answer 7

Me estoy riendo, porque siento que estas respuestas son demasiado complicadas. Bueno, sí, en parte, el objeto normalmente se mueve en lugar de una hoja que se desliza, así que supongo que el coeficiente cinético de fricción más bajo sería menos que estático … pero un objeto circular no tiene ningún momento angular si se encuentra en un plano de 180 grados. normal a la superficie y todos los objetos están sentados estacionarios desde el principio. La respuesta del profesor de la UC Berkley es bien … interesante por decir lo menos, la microestructura tiene un gran juego en la fricción. PERO CREO QUE LA RESPUESTA MÁS SIMPLE ES PORQUE LA CANTIDAD DE CONTACTO DEL ÁREA DE SUPERFICIE Y … Bueno, el mecanismo de cómo se aplica una fuerza. Imagina una sábana de alfombra, la arrastras por el estacionamiento como un trineo de nieve con una cuerda; tienes un componente Fx y Fy y el objeto se detiene cuando dejas de tirar de él. Ahora imagina que lo enrollo en un tubo y lo empujo desde arriba o un poco por encima del medio. Por un lado, es más fácil empujar porque ahora hay menos área en contacto con el suelo; tan menos fricción Otra cosa es que el objeto es Rolling + Translating. Usted está familiarizado con un volante, sí? El momento angular es un mecanismo mediante el cual podemos almacenar energía de rotación y reutilizarla por un corto período de tiempo, además, su conversión por una fuerza de momento, algo en lo que en la posición en que se está empujando está reduciendo significativamente la cantidad de trabajo necesario. Trabajo = fuerza x distancia. Solo imagine la alfombra plana como un montón de pesos cuadrados y está moviendo una suma integral de estos pesos, cada uno con una distancia diferente y más larga que la anterior. Para inclinar la alfombra enrollada, se requiere menos trabajo. Además, puedes recuperar más energía de la rotación porque otra vez !! Menos área de superficie está en contacto, por lo que tiene menos energía que se disipa por la fricción, eso es un ahorro de combustible que se le pasa a usted y más para que el auto la use … eso es … una vez que realmente lo muevas: p.

Edit: accidentalmente escribí rodando + rotación … jaja quise decir Traducción + Rotación !!!!!!

Otra edición: esto es ideal si estuviéramos trabajando en superficies planas. La respuesta obviamente cambia si realizamos este experimento en un plano inclinado donde la gravedad juega un papel más importante.

Answer 8

Me gustó Vignesh Ramakrishnan
La respuesta. Es corto y dulce, así como explica bien. Intentaré explicarlo más a fondo.
Evitar el deslizamiento o deslizamiento es la tendencia general de la fricción. Para un cuerpo rodante (usaré el término rodar sin deslizar para rodar puro) puede haber dos posibilidades para deslizarse sobre una superficie horizontal “estática”, a saber:
1. Aceleración lineal = a es mayor que la aceleración tangencial [math] \ alpha [/ math] multiplicada por R (R es la distancia del punto de contacto desde el COM)
2. La aceleración tangencial [math] \ alpha [/ math] veces R es mayor que la aceleración lineal a.

En cualquiera de los casos anteriores, es responsabilidad de la fricción evitar el deslizamiento. Ahora, lo que hace la fricción es actuar de acuerdo con la situación, es decir, si [math] \ alpha [/ math] es menor, intentará aumentar [math] \ alpha [/ math] y, de lo contrario, disminuirá. Pero la fricción tiene un cierto límite hasta el cual puede evitar resbalones. Toma el valor hasta [math] \ mu [/ math] veces la Reacción Normal. ([math] \ mu [/ math] es el coeficiente de fricción estática)
Si toma el valor por debajo de [math] \ mu [/ math] veces la Reacción Normal, se evitará el deslizamiento y el cuerpo rodará puramente. Sin embargo, si no logra evitar el deslizamiento hasta que el valor [math] \ mu [/ math] veces la Reacción Normal, de repente cae en un valor menor [math] \ mu ‘[/ math] por la Reacción Normal ([math] \ mu ‘[/ math] es el coeficiente de fricción deslizante o cinética, tal que [math] \ mu’ [/ math] <[math] \ mu [/ math]), y esta fricción se denomina fricción deslizante.
Así que puedes ver que la fricción estática (fricción de rodadura) puede tomar cualquier valor entre 0 y [math] \ mu [/ math] veces la Reacción Normal, donde la fricción deslizante siempre toma un valor fijo [math] \ mu ‘[/ math] veces la reacción normal.
Entonces, en general, Fricción deslizante> Fricción rodante.

Answer 9

La fricción es fricción estática, mientras que la fricción es fricción cinética. El coeficiente de fricción cinética es menor o igual al coeficiente de fricción estática (consulte la respuesta de Richard Muller). Todas las formas de fricción dependen solo de la fuerza normal, mientras que la fricción estática es igual a la fuerza de resistencia. El coeficiente de fricción es constante de proporcionalidad a la fuerza normal

Answer 10

En la fricción de deslizamiento, la fuerza de fricción realiza el trabajo, F • s. En la fricción de rodadura, este no es el caso y solo se realizan trabajos de fricción de segundo orden, como la depresión de la superficie sobre la que se está rodando.

Answer 11

Ciertamente, la fricción de deslizamiento suele ser independiente del área de contacto a una buena aproximación, pero eso es irrelevante para la fricción de rodadura porque toda la belleza de rodar es que hay poco o ningún deslizamiento en marcha. Si todavía hay fricción, se debe principalmente a que se está aplicando una gran presión a la rueda y a la carretera / vía, por lo que se deforman ligeramente y, al ser levemente (o no tan levemente) con pérdida mecánica, no devuelven toda la energía elástica. cuando el punto de contacto se mueve y se deforman.

Answer 12

La rueda es uno de los inventos más importantes en la historia de la humanidad. Lo primero de una rueda es que rueda a medida que se mueve en lugar de deslizarse. Esto reduce enormemente la fricción.

Answer 13

La fricción de deslizamiento implica sacar muchas cosas de la parte que se está moviendo.

El rodar es una rotación de un objeto, por lo que diferentes cosas entran en contacto todo el tiempo, por lo que no estás alejando lo que está delante de él. Puedes mover piedras masivas sobre troncos, eso sería difícil de empujar.