¿Puede existir la fricción negativa? En caso afirmativo, ¿qué sucede?

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. Así que la fricción es una fuerza que trabaja en dirección opuesta a la que frotas un objeto contra otro objeto.

Si empujo un automóvil a 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 actúa 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 cuando frotas un objeto contra otro objeto.

Entonces estaba 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 pusiste. Entonces no es posible.

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

Answer 1

El signo de la fricción depende de nuestra elección de eje. 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 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 quisiste decir que la fricción actúa en la misma dirección que la fuerza aplicada / dirección de movimiento inminente. Eso no puede suceder. Esto se debe a que la fricción es una fuerza opuesta que siempre actúa en dirección opuesta 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 menor de lo que parece ser. Donde se unen las superficies, las moléculas de la superficie se atraen entre sí [esto se debe a varias fuerzas intermoleculares, como la interacción dipolo-dipolo, las fuerzas de Van der Waals, el enlace de hidrógeno, etc.]. Por lo tanto, cuando una superficie intenta avanzar, las fuerzas atractivas lo impiden hasta cierto punto, 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 la 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 la fricción.

Answer 2

Estás en lo correcto. La respuesta de Kartik también es correcta, pero simplemente no contestó directamente tu pregunta (bueno, para ser justos, supone 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 evitando el movimiento. Con un objeto estacionario, la fuerza se llama fricción estática, y para un cuerpo deslizante es fricción de deslizamiento. La fricción estática normalmente es mayor que la fricción de deslizamiento, 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, se aumentaría la fuerza lateral total, y no habría nada que impidiera el movimiento. No solo eso, pero tan pronto como comenzara el más mínimo movimiento, el objeto experimentaría una fuerza aceleradora constante proporcional a su peso. En ausencia de resistencia aerodinámica, el objeto aceleraría sin límite. Dada una pista lo suficientemente larga, alcanzaría velocidades relativistas.

Answer 3

La explicación anterior es generalmente correcta: generalmente solo existe fricción positiva y la fuerza de fricción siempre va en dirección opuesta a la dirección del movimiento. Sin embargo, esa explicación solo considera coeficientes de fricción positivos. Ha habido investigaciones recientes (2013) con grafito que demuestran un coeficiente de fricción negativo. Este experimento consistió en que una punta de 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.