¿Qué papel desempeña la fuerza de rozamiento estático en un objeto rodante? ¿Cómo puedo saber en qué dirección apunta?

Question

Fundamentalmente, ¿qué hace una fuerza de rozamiento para un objeto rodante? Estoy muy confundido por la forma en que mi libro de texto lo explica. En mi libro de texto, dice:

Una rueda que rueda sobre una superficie plana horizontal a velocidad constante no experimenta ninguna fuerza de rozamiento. ¿Por qué?

En la misma superficie, hay una aceleración de la rueda que apunta hacia la derecha (probablemente causada por una fuerza), por lo que la bola se acelera angularmente en el sentido de las agujas del reloj. En este caso, aparece una fuerza de rozamiento que también apunta hacia la derecha. ¿Por qué? ¿Qué hace el rozamiento por esta rueda?

En un plano inclinado, una bola rueda libremente por la superficie. La dirección de la fricción es hacia arriba de la rampa, lo que me confunde porque en el ejemplo anterior la fuerza de fricción estaba en la dirección de la aceleración de la rueda.

Y hay una diferencia si una rueda rueda libremente y si hay un par que actúa sobre el centro de masa de la bola. ¿POR QUÉ?

¿Qué hace la fricción en estos casos? ¿Cómo hace rodar un objeto?

Answer 1

Espero que esto responda al menos a algunas de sus preguntas. Si se considera una bola en reposo inicial sobre una superficie sin fricción, si se ejerce una fuerza a través del centro de masa de la bola, ésta se deslizará por la superficie sin rotación, sólo habrá movimiento de traslación.

Si consideramos el caso en el que hay rozamiento, si la fuerza se aplica de nuevo a una bola inmóvil la fuerza de rozamiento actuará en sentido contrario a la fuerza pero en el borde del balón que descansa sobre el suelo. Esta fricción aplica un par a la bola que inicia la rotación. Por tanto, la fricción estática es necesaria para que una bola empiece a rodar.

La condición para rodar a velocidad $v$ es que la velocidad angular de la bola viene dada por $$v=\omega r$$ a partir de esto la parte superior de la bola se moverá a velocidad $2v$ el centro de masa de la bola se moverá a $v$ y el borde inferior de la bola estará instantáneamente en reposo. Por tanto, como el borde que toca el suelo está inmóvil, no experimenta fricción.

Por tanto, la fricción es necesaria para que una bola empiece a rodar, pero una vez que se cumple la condición de rodar, la bola no experimenta fricción.

Answer 2

1. Si la rueda rueda a velocidad constante sin que actúen otras fuerzas, no hay tendencia al deslizamiento entre la rueda y la superficie, por lo que no hay rozamiento. La fricción sólo actuará para intentar evitar el deslizamiento entre 2 superficies.

2. ¿Es de suponer que en este caso hay un par que actúa sobre el eje de la bola/rueda? Este par dará lugar a una aceleración angular de la rueda (en el sentido de las agujas del reloj). Si no hubiera fricción, la velocidad angular aumentaría y se produciría un deslizamiento entre la rueda y la superficie. Sin embargo, la fricción existe y tratará de evitar el deslizamiento, por eso actúa hacia la derecha. Al intentar evitar este deslizamiento, la fricción también ejerce una fuerza lineal horizontal sobre la rueda, dándole una aceleración hacia la derecha, por lo que acelera. Así es como un coche acelera horizontalmente, utilizando la fricción entre las ruedas y la carretera.

3. En el plano inclinado, la bola tenderá a deslizarse hacia abajo y, si no hubiera fricción, de nuevo habría deslizamiento entre la bola y la superficie inclinada. Quizá la mejor manera de planteárselo sea: "¿En qué dirección se producirá el deslizamiento si no hubiera fricción?". La fricción siempre intentará contrarrestar el deslizamiento, así que aquí actúa hacia arriba de la pendiente para intentar evitar que la bola resbale hacia abajo de la pendiente. Esto tiene el efecto de aplicar un momento a la pelota, lo que hará que empiece a rodar.