¿La fricción siempre se opone al movimiento?

Question

Recientemente tuve las siguientes concepciones erróneas:

1. La fricción estática siempre se opone al movimiento del cuerpo.

2. La fuerza de fricción no puede iniciar el movimiento en un cuerpo.

Ahora me di cuenta de que mi entendimiento estaba equivocado y que la fricción de hecho puede causar movimiento en los cuerpos, y que la fricción estática no siempre se opone al movimiento de un cuerpo.

Pero encontré esto bastante extraño, ¿cómo puede una fuerza que siempre nos ha enseñado que se opone al movimiento, oponerse a los puntos 1 y 2.?

Answer 1

La fricción se opone al movimiento relativo entre dos cuerpos.

Hay que tener en cuenta que esto puede significar que la fricción puede crear movimiento relativo a ti, por ejemplo, al dejar caer un objeto sobre una cinta transportadora en movimiento. La fricción se opone y reduce el movimiento relativo del objeto y la cinta hasta que se mueven juntos. Pero ahora han comenzado a moverse relativamente a ti.

Answer 2

La fricción se opone al movimiento entre las DOS SUPERFICIES EN CONTACTO (el movimiento que hubiera ocurrido si no hubiera fricción). Puedes caminar porque la fricción empuja la suela de tu zapato hacia adelante. Si no hubiera fricción, la suela del zapato se movería hacia atrás (en la dirección en la que estás empujando la Tierra).

Si esas superficies están en partes móviles/rotativas de un objeto compuesto es otra historia. Nuevamente, no se trata del movimiento relativo de los cuerpos, sino del movimiento de las superficies en contacto. Cuando los neumáticos de tu auto están girando, el punto de contacto de los neumáticos contra el camino está empujando el camino hacia atrás del auto. Sin fricción, los neumáticos girarían en el mismo lugar. Gracias a la fricción, los neumáticos empujan el camino hacia atrás y, por la 3ª ley, el camino empuja los neumáticos hacia adelante. Eso sucede cuando estás acelerando. Cuando estás desacelerando, el punto de contacto de los neumáticos con el camino comienza a empujar el camino hacia adelante. Nota que el auto sigue moviéndose hacia adelante. Eso prueba que no se trata del movimiento relativo de los cuerpos, sino del movimiento de las superficies (que hubiera ocurrido si no hubiera fricción). Por lo tanto, la otra respuesta es incorrecta.

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Esto es muy interesante. Los moderadores borraron algunos de mis comentarios donde mi grosería estaba en plena exhibición. Dado que mis comentarios eran correctos desde el punto de vista científico (quizás no políticamente correctos), voy a mantener mi postura.

Uno de mis momentos más destacados fue mi respuesta a "La fricción entre un auto en movimiento y el camino solo disminuirá la velocidad del auto (en relación al camino), nunca aumentará su velocidad relativa." Sugerí que si el autor de tal blasfemia realmente creía que eso era cierto, entonces él/ella/debería conducir hasta el medio de un lago congelado, cambiar los neumáticos por algunos desgastados, quizás rociar un poco de agua alrededor de los neumáticos para que el hielo se ablande, y tratar de conducir fuera del lago. Todos saluden al darwinismo. El intercambio pudo haber dañado algunas sensibilidades, pero el mensaje fue claro y correcto. Espero que él/ella/aprendiera algo de Física como lo hizo Dude156 en otra de mis respuestas.

Hubo otro buen comentario que mencionaba que la respuesta más votada podría ser criticada dividiendo los cuerpos en las partes que están en contacto y el resto del cuerpo. En particular, ese post mencionaba que los neumáticos tienen una llamada huella de contacto. Por lo tanto, la fricción se opone al movimiento relativo de la huella de contacto del neumático y el camino. Respondí que ese punto de vista es menos óptimo que mencionar que la fricción se opone al movimiento entre las superficies desde el principio.

Nos vemos en physicsoverflow. Paz.

Answer 3

La respuesta principal dada es correcta, pero quería extenderla ligeramente:

¿Cómo puede una fuerza que siempre nos han enseñado a oponerse al movimiento, oponerse a los puntos 1) y 2)?

Imagina una mesa, deslizo un disco de hockey muy pesado sobre la mesa. Sin fricción, el disco sigue deslizándose. Pero debido a la fricción, el disco se ralentiza.

Ahora pongamos la mesa sobre ruedas y hagamos la misma prueba nuevamente. Sin fricción, la mesa no se mueve y el disco se desliza completamente. PERO con fricción, la fricción toma la energía cinética del disco e la transfiere a la mesa. Debido a esto (y porque pusimos la mesa sobre ruedas), la mesa ahora empieza a moverse hacia adelante.

Debido a la fricción, la energía cinética se transfiere del disco a la mesa, lo que puede hacer que la mesa comience a moverse (dadas las circunstancias correctas por las que la energía impartida a la mesa supera la propia fricción de la mesa con lo que esté descansando).

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Hay ejemplos comunes en el mundo real aquí, por ejemplo, alguien que da un salto corriendo y aterriza sobre una alfombra/patineta estacionaria, que luego comienza a moverse porque la fricción mantiene la alfombra/patineta y los pies de la persona juntos y, por lo tanto, la energía cinética de la persona se transfiere (parcialmente) a la alfombra/patineta.

Answer 4

Las respuestas dadas por todos los demás son mucho mejores que la mía, pero aquí está mi respuesta (esencialmente una reformulación de la respuesta de @yuvraj singh)

La fricción se opone al movimiento relativo. Por ejemplo, supongamos que tienes un coche. ¿Por qué se mueve hacia adelante el coche, incluso si el trabajo mecánico se realiza solo en la rueda? ¿Cuál es la pieza faltante aquí?

Fricción

Cuando observas el punto más bajo de la rueda que está tocando el suelo, verás que se mueve en la dirección contraria. Dado que la fricción se opone a cualquier movimiento relativo, actuaría sobre la rueda en la dirección delantera. Esta acción de fricción impediría la tendencia de la rueda a moverse en la dirección contraria. Pero, como efecto secundario, también empujaría el coche hacia adelante ya que la rueda es parte del coche.

Answer 5

La fricción generalmente provoca un cambio en la velocidad. Los físicos llaman a este cambio — en términos matemáticos la derivada de la velocidad — aceleración. Mientras que en lenguaje informal "acelerar" significa "aumentar la velocidad", cuando los físicos hablan de aceleración solo se refieren al cambio de velocidad, en cualquier dirección.

La razón subyacente es que la velocidad inicial de un cuerpo, incluida su dirección, depende del punto de vista del observador. Por lo tanto, una misma fuerza puede verse frenando un cuerpo o acelerándolo.

Tomemos como ejemplo una bala disparada hacia el oeste a lo largo de la línea ecuatorial1, con una velocidad de unos 465 m/s. La bala impacta contra una pared de arcilla en la que penetra unos centímetros antes de quedarse atascada.

Un observador en el suelo no tiene duda de que la fricción entre la arcilla y la bala la frena hasta que se detiene. Pero en el ecuador el suelo en realidad se está moviendo a unos 465 m/s, no es coincidencia que sea exactamente la velocidad de la bala: Un observador que está "quieto" sobre la tierra en rotación vería que la bala se queda quieta en el espacio hasta que es arrastrada hacia el este por la pared en rotación.

La conclusión importante es que la resistencia que debe tener la pared para detener la bala, cuánto penetrará la bala, en qué medida se deformará en el proceso, etc. es completamente independiente del marco de referencia que elijamos. Lo mismo es válido para la fuerza necesaria en los motores de cohetes para despegar en Cabo Cañaveral, las fuerzas en un cinturón de seguridad cuando el automóvil impacta contra una pared de concreto a 65 mph, y todos los demás procesos físicos. Nada cambia cuando cambiamos el marco de referencia, todos son igualmente válidos.2

En resumen: La misma aceleración de la bala por la pared puede considerarse como un freno o un aumento de velocidad o cualquier combinación de los dos, dependiendo enteramente del sistema de referencia del observador. Esto indica que las velocidades absolutas — en las que depende si la fricción frena o acelera algo — son asignaciones arbitrarias; solo las velocidades relativas son importantes.

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_{¹Por el corto tiempo que observamos el proceso, no es un gran error ignorar que ningún punto en la superficie de la Tierra es un sistema inercial (ya que la Tierra está rotando), y ignorar que la Tierra se mueve alrededor del sol.}

_{²La rotación de la Tierra en realidad no puede ser ignorada al lanzar cohetes (el tiempo y la distancia exceden las pequeñas cantidades durante las cuales no importaría), pero la presión necesaria para despegar depende de ello solo marginalmente. De manera similar, si consideramos fracciones significativas de la velocidad de la luz y fracciones significativas del tamaño del universo conocido, no podemos considerarlos iguales en términos cosmológicos: Para cualquier punto dado en el espaciotiempo existe un marco de referencia "más natural" en el que el universo se ve igual en todas las direcciones, o es <em>isotrópico</em>, el <a href="https://es.wikipedia.org/wiki/Coordenadas_comóviles" rel="nofollow noreferrer"><em>marco comóvil</em></a>, pero eso va más allá del alcance de la pregunta.}