¿Puede existir fricción negativa? Si es así, ¿qué ocurre?

Question

Tengo que hablar sobre la fricción negativa para mi examen oral y me gustaría que comentaras mi presentación.

Sé que la fricción es la resistencia al movimiento que ocurre entre objetos. Por lo tanto, la fricción es una fuerza que trabaja en sentido contrario a la dirección en la que frotas un objeto contra otro.

Si empujo un automóvil una distancia $s$ a lo largo de una carretera con una fuerza $F$, entonces la fuerza realiza un trabajo $W=F \cdot s$.

La energía que aparece en este caso es la energía cinética $E_k=\frac{1}{2}mv^2$.

Y dijimos que la fricción funciona como un freno, por lo que la energía cinética se transformará en energía térmica o simplemente calor.

Entonces, ¿qué sucede si la fricción es negativa?

Si la fricción es negativa, entonces la dirección será la misma que al frotar un objeto contra otro.

Luego estuve pensando que la energía cinética aumentará porque la velocidad $v$ aumentará. En este caso, obtendrás más energía como salida de la que realmente has puesto. Según la primera ley de la termodinámica, no puedes obtener más de lo que pones. Por lo tanto, no es posible.

¿Estoy en lo correcto? ¿Y hay más que decir?

Answer 1

El signo de la fricción depende de nuestra elección de ejes. Si elijo el lado derecho como positivo y empujo un objeto hacia la derecha, entonces la fricción actuará hacia la izquierda y por lo tanto la fricción será negativa. Pero la magnitud de la fricción siempre es positiva. Es positiva por definición. La magnitud de cualquier fuerza (o cualquier vector) es positiva.

En tu pregunta querías decir que la fricción actúa en la misma dirección que la fuerza aplicada/dirección del movimiento inminente. Eso no puede suceder. Esto se debe a que la fricción es una fuerza opuesta que siempre actúa en dirección contraria a la fuerza aplicada. Actúa en dirección opuesta a la fuerza aplicada porque cuando aplicamos una fuerza, las fuerzas electromagnéticas entre las superficies en contacto se atraen entre sí y se oponen a la fuerza aplicada.

Razón por la que la fuerza de fricción es opuesta al movimiento relativo de los objetos. Cuando dos superficies están en contacto, hay muchas irregularidades en la superficie. El área real en contacto es mucho más pequeña de lo que parece ser. Donde las superficies se unen, las moléculas de la superficie se atraen entre sí (esto se debe a varias fuerzas intermoleculares, como interacción dipolo-dipolo, fuerzas de Van der Waals, enlace de hidrógeno, etc). Entonces, cuando una superficie intenta avanzar, las fuerzas atractivas la impiden en cierta medida, y eso es lo que vemos como fricción. Si una superficie intenta moverse hacia la izquierda, las fuerzas atractivas intentan mantenerla en el mismo lugar, y podemos verlo a nivel macroscópico como fricción actuando hacia la derecha. Por lo tanto, la fricción siempre es opuesta al movimiento de los objetos.

Puedes obtener más detalles sobre el origen de la fricción en el artículo de Wikipedia sobre fricción.

Answer 2

Tienes razón. La respuesta de Kartik también es correcta, pero él simplemente no respondió directamente a tu pregunta (bueno, para ser justos, presupone una reescritura completa de las leyes de la física). Un coeficiente de fricción positivo se opone a la dirección de la fuerza aplicada, reduciendo o previniendo el movimiento. Con un objeto estacionario, la fuerza se llama fricción estática, y para un cuerpo deslizante es fricción cinética. La fricción estática suele ser mayor que la fricción cinética, y hasta que la fuerza aplicada sea mayor que la fricción estática, el objeto no se moverá en absoluto.

Si el coeficiente de fricción fuera negativo, aumentaría la fuerza lateral total, y no habría nada que impidiera el movimiento. No solo eso, pero tan pronto como comenzara el menor movimiento, el objeto experimentaría una fuerza de aceleración constante proporcional a su peso. En ausencia de arrastre aerodinámico, el objeto aceleraría sin límite. Dada una pista lo suficientemente larga, alcanzaría velocidades relativistas.

Answer 3

La explicación anterior es generalmente correcta: generalmente sólo existe fricción positiva y la fuerza de fricción siempre va en la dirección opuesta a la dirección del movimiento. Sin embargo, esa explicación considera sólo coeficientes de fricción positivos. Ha habido investigaciones recientes (2013) con grafito que demuestran un coeficiente de fricción negativo. Este experimento consistió en que la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) de diamante realizara mediciones de fuerza en grafito a granel. Los investigadores encontraron que las fuerzas de fricción entre el diamante y el grafito aumentaron con la disminución de la carga (pendiente negativa en un gráfico de Fuerza vs. Carga, que creo puede ser una respuesta a la pregunta publicada), descubriendo el primer ejemplo de un coeficiente de fricción negativo. El enlace a una publicación en Nano Letters está aquí:

http://www.nature.com/nmat/journal/v12/n6/full/nmat3656.html

Como sabemos, F_f=mu*F_N, donde mu es el coeficiente de fricción. Si mu es negativo, también lo es la fuerza de fricción F_f.

Answer 4

La fricción como fuerza es una cantidad vectorial. Tiene magnitud y dirección. La magnitud nunca puede ser negativa. Después de definir un sistema de coordenadas, un vector de fricción puede tener componentes negativos. Meribelfish señala que el coeficiente de fricción puede ser negativo, pero eso no afecta la dirección de los componentes. También hay que tener en cuenta que cuando un coche está acelerando, la fuerza de fricción estática de la carretera va en la misma dirección que la aceleración.