¿En qué marco de referencia existe la fricción?

Question

¿Qué es la fricción?

Wikipedia define fricción como:

La fricción es la fuerza que se opone al movimiento relativo de superficies sólidas, capas fluidas y elementos materiales que se deslizan unos contra otros.

Pero las fuerzas son relativas, así que ¿en qué referencia existe la fricción? Normalmente suponemos que cuando decimos que una fuerza actúa sobre un cuerpo, queremos decir que la fuerza actúa sobre el cuerpo desde el marco del suelo.

Pero entonces considere un bloque en el camión, ambos tienen la misma aceleración con respecto al suelo y además suponga que la superficie de ambos es rugosa.

Entonces, ¿en qué referencia existe fricción en este caso? Desde el punto de vista del suelo, existe una fuerza que actúa sobre el bloque, según las leyes de Newton, en la dirección de la aceleración. ¿Es esta fuerza de fricción? No, es la fuerza por la que se mueve el camión, desde esta referencia puedo considerar que el bloque es parte del camión y no hay necesidad de invocar la fuerza de fricción en absoluto.

¿Existe ahora fuerza de rozamiento desde la referencia del camión? De nuevo no, ya que el bloque no se mueve en absoluto desde la referencia del camión, por lo que no puede haber fricción.

Entonces, ¿hay fricción o no en los casos?

Ahora dejemos que el bloque sea de hielo y que la superficie del camión esté mojada, entonces la aceleración del bloque será diferente de la del camión, digamos que está en la dirección de aceleración del camión pero con una magnitud menor que la del camión. Ahora desde la referencia del suelo, debe haber una fuerza contra la aceleración, es la fricción. Pero, ¿de qué tipo de rozamiento se trata? ¿Es rozamiento estático o cinético?

Entonces, ¿en qué referencia es necesario introducir la fuerza de fricción? ¿Y cómo se decide el tipo de rozamiento a partir de una referencia distinta de las superficies entre las que existe el rozamiento?

Answer 1

... las fuerzas son relativas ...

No, no lo son. Las fuerzas reales sobre un objeto (y eso incluye la fricción) son las mismas en cualquier sistema de referencia. Sin embargo, si se trabaja en un sistema de referencia no inercial (como el de un camión que acelera), es posible que haya que introducir pseudofuerzas para simular que los objetos (como el bloque) están en equilibrio cuando en realidad no lo están.

En el sistema de referencia no inercial de un camión que acelera con aceleración $a$ existe una pseudofuerza de retroceso $-ma$ en el bloque. A esto se opone una fuerza de fricción hacia delante $ma$ para que el bloque esté inmóvil respecto al camión.

En el sistema de referencia inercial del suelo, sólo hay una fuerza horizontal que actúa sobre el bloque, la fuerza de fricción hacia delante $ma$ . Esto acelera el bloque hacia delante con aceleración $a$ para que esté inmóvil respecto al camión.

Obsérvese que la fuerza de rozamiento es exactamente la misma en cualquiera de los dos sistemas de referencia.

(Asumo que $a <= \mu g$ para que no se supere la fricción estática máxima y el bloque no resbale sobre el camión).

Answer 2

Considera la situación en la que el camión está acelerando con respecto al suelo, y también deja que el bloque esté inmóvil con respecto al camión, como en tu situación. A continuación, considera el sistema de referencia del camión.

Entonces, dado que el camión es un marco de referencia en aceleración, el bloque siente una fuerza "ficticia" (llámela $G$ ), apuntando hacia atrás desde el camión. Por lo tanto, si el bloque está inmóvil con respecto al camión, debe existir una fuerza $F$ contrarrestar $G$ . Eso es fricción.

Answer 3

Cuando el camión empieza a acelerar, el bloque tiende a quedarse quieto debido a su inercia. Por lo tanto, existe una tendencia al movimiento relativo entre la plataforma y el bloque. Siempre que hay un movimiento relativo o una tendencia al movimiento relativo, hay una fuerza de fricción, si las superficies rugosas están en contacto entre sí. Esa es la fuerza que acelera el bloque con el camión. Esto es con respecto al bastidor del suelo.

Si se considera desde la referencia de camión el bloque se queda parado. Pero tiene una fuerza ficticia $ma$ hacia atrás porque se mueve con $a$ aceleración con respecto a la estructura del suelo. Para equilibrar esta fuerza debe haber una fuerza opuesta, y esa es la fricción.

Por lo tanto, independientemente del marco de referencia que se considere, la fuerza de fricción existe si se trata de superficies rugosas.