¿Qué hace girar una rueda?

Question

No entiendo muy bien por qué es más fácil mover una rueda que empujar un bloque sólido.

La presión en el punto de contacto entre una rueda y el suelo debe ser bastante enorme en comparación con la presión creada por un bloque del mismo material y masa que la rueda.

La fricción se define como el producto de la fuerza normal ejercida sobre el objeto y el coeficiente de fricción entre el objeto y el suelo. Así que supongo que para dos objetos idénticos de masas infinitas este parámetro no supone ninguna diferencia.

Dadas estas circunstancias, no entiendo la física que hay detrás. ¿Me falta algún otro atributo de una rueda que facilite su movimiento?

Answer 1

Empujar un bloque pesado por el suelo va a ser difícil porque como dices la fuerza de fricción entre el bloque y el suelo es $F = \mu F_N = \mu mg$ y para un bloque pesado esto va a ser una gran fuerza:

Pero supongamos que divides tu bloque en dos partes, y pones una capa de aceite entre las dos partes así:

En el contacto con el suelo la fricción $\mu_1$ es grande, mientras que en la capa de aceite entre los dos bloques la fricción $\mu_2$ es muy pequeño porque el aceite es un buen lubricante. Así que ahora, cuando empujes el bloque superior, se deslizará hacia delante con muy poca fuerza, mientras que el bloque inferior permanecerá inmóvil en relación con el suelo.

Aunque no sea inmediatamente evidente, esto es exactamente lo que ocurre con una rueda. El bloque inferior corresponde a la llanta de la rueda y el superior al eje. Y entre el eje y la rueda tenemos una capa de aceite:

La fricción entre la rueda y el suelo $\mu_1$ es alta para que el punto de contacto de la rueda con el suelo no se deslice. Sin embargo, la fricción entre el eje y la rueda $\mu_2$ es muy baja para que la rueda se deslice fácilmente con respecto al eje. Eso significa que cuando empujamos el eje la rueda gira fácilmente alrededor del eje y rueda hacia adelante con muy poca fuerza.

Answer 2

Algunas de las otras respuestas son correctas, pero con un nivel de física demasiado alto para ser apropiadas a la pregunta. Esto necesita una respuesta de baja tecnología.

En primer lugar, considera que es mucho más fácil caminar que arrastrarse por el suelo. La razón es que no estás arrastrando nada: levantas un pie, lo mueves hacia delante, lo bajas y repites. Es fácil mover el pie en el aire, y el pie en el suelo está fijo en su sitio, no se arrastra.

Cada punto alrededor del exterior de una rueda es como un pie, con un gran número de pies alrededor del exterior de la rueda. Cuando la rueda no se mueve, es como si estuviera apoyada en el único pie de la parte inferior. Cuando la rueda rueda, un nuevo pie baja por delante mientras que el viejo pie sube por detrás. Los pies no se arrastran por el suelo, cada pie se levanta y pasa por encima de la rueda y baja por delante. Al subir y bajar no se arrastran.

Teóricamente, una rueda perfecta que ruede sobre un suelo perfecto tendría un rozamiento nulo, ya que nada se arrastra. Sin embargo, la rueda y el suelo no son perfectos: hay pequeñas protuberancias y las superficies se doblan, por lo que sigue habiendo una pequeña cantidad de fricción. Esto se llama rozamiento de rodadura. El rozamiento por rodadura es mínimo comparado con el rozamiento por arrastre.

Answer 3

Veamos si podemos responder a tu pregunta dibujando un diagrama de cuerpo libre para estos dos objetos.

En la imagen podemos ver que, para que el cuerpo se mueva, la fuerza externa debe ser mayor que la fuerza de fricción. Si los objetos tienen la misma masa y se encuentran en un entorno idéntico, tendrán la misma dificultad para moverse. ( si el par motor fuera cero )

Sin embargo, debemos tener en cuenta que las fuerzas no son colineales, por lo que se produce un par de torsión.

Centrémonos ahora en nuestra segunda observación. La torsión sobre un objeto redondo hace que éste gire. Lo mismo ocurre con el objeto 2.

Si imaginas que el objeto rectangular gira alrededor de su centro de masa, puedes ver que su esquina inferior izquierda está en el camino del suelo. Por lo tanto esa parte del cuerpo actúa sobre el suelo y por la 3ª ley de Newton, el suelo actúa sobre la esquina del cuerpo. Como la fuerza de fricción depende de la fuerza normal, que aumenta, hace que el bloque sea aún más difícil de mover.

( Observe que si esa fuerza normal supera el peso del objeto, su COM se moverá en dirección y positiva por la segunda ley de Newton )

¿Qué ocurre con la COM de un objeto redondo, cuando gira? Permanece exactamente a la misma altura, por lo que cualquier par de torsión producido no eleva nuestro objeto, requiriendo trabajo, ni se "añade" a la fuerza de fricción.

En resumen: Los objetos de sección circular son más fáciles de desplazar, ya que el par resultante de las fuerzas no colineales no aumenta la fuerza normal sobre el objeto, lo que daría lugar a una mayor fuerza de fricción.

Answer 4

La fricción es realmente empírica, y no se puede analizar bien desde los primeros principios. Es decir, la mayor parte de nuestros conocimientos proceden de la experimentación y no de la teoría.

La fricción es una combinación de la adhesión entre superficies, la rugosidad de la superficie, la deformación de la superficie y la contaminación de la superficie. wiki:fricción Todos ellos contribuyen, y es fácil ver cómo contribuye la rugosidad. Como primer paso, tomaremos un modelo sencillo en el que nos centramos sólo en la rugosidad.

Considere la cremallera y el piñón:

En realidad, primero vamos a considerar dos bastidores (la barra recta) Póngalos juntos, dientes a los dientes y empuje la parte superior. Para mover el bloque superior, tendremos que deslizar hacia arriba todos los dientes, levantando el bloque superior (¡esto es trabajo!) hasta que quede libre de los dientes inferiores. Este es nuestro análogo del bloque, en el que la interacción entre dientes representa la fricción debida a la rugosidad de las superficies reales. En esta situación concreta, piensa en lo mucho más fácil que sería levantar el bloque, moverlo y bajarlo un diente más que empujarlo.

Ahora vuelve a la cremallera y empuja el piñón (engranaje). Hay un par de cosas que notamos:

1. La punta del diente en la parte inferior tiene una velocidad instantánea de 0. - no se mueve con respecto a la cremallera.
2. Suponiendo un movimiento en el sentido de las agujas del reloj, el diente que está a la izquierda del inferior está tirando hacia arriba y fuera de la cremallera. Es decir, el roce con los dientes de la cremallera es mínimo, y estamos evitando el "bloqueo del diente" de nuestro escenario del bloque.

La rodadura minimiza el deslizamiento al cambiar las fuerzas de deslizamiento entre dos superficies por fuerzas verticales de separación de dos superficies. Al pasar a superficies más lisas, reducimos la rugosidad de la superficie, pero la adhesión entre superficies (eléctrica, magnética, por vacío e incluso posiblemente por enlace molecular) siempre es un factor, al igual que la deformación. La contaminación también es siempre un problema: pregúntale a cualquier niño con un monopatín por la cara que se ha hecho debido a las piedrecitas del pavimento.

Una vez que añadimos un eje, las cosas se complican un poco más. Hay dos maneras de montar una rueda, puedes fijarla rígidamente al eje, y dejar que el eje gire en rodamientos o, puedes fijar el eje y dejar que la rueda gire alrededor del eje. en un rodamiento simple, tendríamos una varilla de acero pasando por el agujero del engranaje del piñón. Esto nos llevaría de nuevo a la fricción por deslizamiento. Pero, los cojinetes modernos tienen este aspecto:

Lo que devuelve el problema de los rodamientos a la fricción de rodadura.

Answer 5

Una forma sencilla de decirlo es que no se debe comparar rolling una rueda con deslizante una caja; más bien hay que deslizar los dos, o rodar los dos.

En el primer caso, simplemente no hay diferencia: imagina un coche con las ruedas bloqueadas. El trabajo contra la fricción es lo que lo hace difícil.

En el segundo caso, para inclinar la caja, habría que elevar su centro de masa - para una caja cúbica, por $(\sqrt{2}-1)/2$ veces su longitud lateral. Al hacer esto, debes trabajar contra la gravedad y almacenar la energía potencial, que luego se disipará cuando la caja caiga por su otro lado. Pero, de hecho, también podrías simplemente levantarla en esta cantidad + 1 milímetro, girar en el aire y volver a ponerla - ¡esto gasta la misma energía, y la fricción no entra en escena en absoluto!

De hecho, cuando se rueda la caja, ¡la fricción es tu amiga en lugar de enemiga! Es muy molesto intentar inclinar una caja que se desliza. De hecho, si intentas levantar la caja por una esquina inferior y la opuesta está fija, entonces toda la caja está actuando como una palanca. Por ello, no es necesario aplicar una fuerza igual al peso total de la caja, sino, al principio, sólo la mitad, y aún menos cuando se proceda al vuelco.

Así, aunque los coeficientes de fricción sean los mismos, se ve que el rozamiento desempeña dos papeles completamente diferentes: en un caso, obstaculiza el deslizamiento, pero en el otro, facilita el asunto al permitir crear una máquina simple. (De hecho, hay un pequeño precio por ello: si imaginas que el otro lado de la caja está fijado en una bisagra, habrá cierta disipación debida a la fricción en esa bisagra. Esto es, esencialmente, la "fricción de rodadura" de la que todo el mundo habla).

El resto es bastante obvio: se quiere reducir la constante $(\sqrt{2}-1)/2$ creando una forma que puedas inclinar levantando su centro de masa lo menos posible. Jugando con formas poligonales regulares, como en el gif de los comentarios, ves que al final consigues la forma redonda que puedes "inclinar" constantemente sin levantar nada.