¿Qué factores determinan el coeficiente de fricción?

Question

Estoy tomando una clase de física en línea, y tengo un examen la próxima semana y es bastante difícil entender una clase de física cuando no tienes el privilegio de hacer preguntas tan a menudo como me gustaría. Así que te pido que por favor me ayudes a entender mejor sobre la fricción.

• ¿Qué factores determinan el coeficiente de fricción?

• ¿Cuáles son algunos ejemplos de materiales con un bajo coeficiente de fricción y un alto coeficiente de fricción?

Answer 1

¡Una pregunta clásica, más difícil de lo que parece! Creo que el truco es entender lo que no determina el coeficiente de fricción.

(1) El peso del objeto no determina el coeficiente de fricción. Puedes ver que entra en la ecuación por separado. $$F_{\mu} = N\mu_k$$ donde $F_{\mu}$ es la fuerza de fricción, N es la fuerza normal (el peso), y $\mu_k$ es el coeficiente de fricción cinética.

(2) ¡El tamaño del objeto no determina el coeficiente de fricción! Si deslizo un cubo por una mesa, y otro cubo del mismo peso pero el doble de tamaño, la fuerza de fricción no cambia.

En este punto deberías concluir que ninguna propiedad macroscópica del objeto afecta el coeficiente de fricción. Es totalmente sobre el nivel microscópico.

Entonces, ¿qué sí lo afecta? De manera intuitiva, la "rugosidad" de la superficie como se menciona en los comentarios. Más generalmente, la respuesta es simplemente "los dos materiales involucrados".

Aquí tienes una lista perfectamente buena de algunos coeficientes de fricción. Ten en cuenta que cada entrada es para una combinación de materiales (por ejemplo: "madera sobre vidrio"), y varía si están secos o si hay algo intermedio entre los dos materiales (como agua o un lubricante). Hay algunos materiales en la tabla que no encuentras en la vida cotidiana, pero apuesto a que puedes pensar en algunos buenos ejemplos solo pensando en qué se desliza bien sobre otras cosas. Por ejemplo, si tienes una mesa inclinada y lisa, ¿colocarías tu teléfono de metal en ella sin funda? ¿Y con una funda de goma?

Answer 2

Las respuestas restantes están bien. Solo un punto más que me gustaría añadir es que la suavidad no siempre implica un bajo coeficiente de fricción. Dado que la fricción no es una fuerza fundamental y tiene orígenes electrostáticos (leer las conferencias de Feynman sobre fuerzas de fricción), una superficie muy suave aumenta las fuerzas de fricción entre los objetos al acercar los átomos lo suficiente como para interactuar entre sí.

Answer 3

La tribología es un tema científico muy complejo. Hay diferentes enfoques sobre cómo describir la interacción entre dos superficies deslizantes que llevan a diferentes cualidades para afectar el Coeficiente de Fricción. Algunos que puedo recordar en este momento son:

1. La fuerza de fricción es causada por la deformación de la aspereza
   En este caso, la rugosidad y la dureza son parámetros que influyen en el CoF. Cuanto más duro y liso sea una superficie, menor será el CoF. Cuanto más rugosa sea una superficie más dura, mayor será el CoF y el desgaste.
2. La fuerza de fricción es causada por fuerzas atómicas entre superficies
   En este caso, cuanto más lisas sean las superficies, más enlaces se forman entre las superficies, lo que lleva a un CoF más alto. La composición de las superficies también juega un papel, si los átomos en las contrapartes pueden formar enlaces covalentes, el CoF será mucho mayor que en el caso de materiales que forman enlaces de Van der Vaals o de hidrógeno.

También hay "otros" fenómenos que influyen en el CoF.

1. ¿Qué hay entre medias?
   El contacto superficie a superficie puede ser directo, teóricamente, o puede haber una película de algún fluido (lubricante o grabador), lubricante sólido, polvo o residuos de desgaste, material desgastado de las contrapartes. Esto puede cambiar completamente las propiedades tribológicas del contacto.
2. Temperatura
   Algunas superficies cambian su comportamiento con la temperatura de forma más significativa que otras, algunas pueden derretirse para formar una película de líquido lubricante, otras pueden soldarse con la contraparte.
3. Velocidad de deslizamiento
   Con velocidades más altas, las asperezas pueden no tener suficiente tiempo para bloquearse tanto como en el caso de velocidades más lentas, lo que lleva a menores volúmenes a deformarse y a un menor CoF. En el caso de un contacto lubricado, la viscosidad de la película puede resultar en un CoF más alto para velocidades más altas.

Y esto es solo una visión muy breve y superficial.

Answer 4

El coeficiente de fricción es entre dos materiales. Por lo tanto, el caucho tendría un coeficiente de fricción diferente en el pavimento que en el cristal. Dicho esto, algunos materiales, como el caucho, tienden a tener coeficientes de fricción más altos con muchos otros materiales. Otros materiales, como el PTFE y el hielo, tienen coeficientes de fricción bajos con muchos otros materiales. A menudo se menciona al hielo como un ejemplo de un material que tiene un coeficiente de fricción bajo. A continuación se explica resumidamente algunos de los efectos que influyen en el coeficiente de fricción. Para más detalles, este tema cae bajo la categoría de tribología.

Rugosidad de la Superficie +

Si dos materiales son extremadamente rugosos (como papel de lija de <200 grano) entonces las partes que sobresalen en una superficie (asperezas) a menudo encontrarán su camino en los valles de la otra superficie, como los dientes de engranajes. Esta interacción ayuda a prevenir que las superficies se deslicen entre sí. Por lo tanto, los materiales más rugosos a menudo tendrán coeficientes de fricción más altos.

Lubricación -

A menudo habrá algún medio que es fácilmente deformable que se coloca entre las dos superficies. El aceite en su motor separa tan bien las piezas de acero que el acero en realidad no se toca en absoluto. En este caso, la fuerza de fricción se debe en realidad a los efectos viscosos del aceite deformándose, y es altamente dependiente de la velocidad. Una carretera mojada tiene un coeficiente de fricción más bajo con el caucho que una carretera seca, debido a que el agua actúa como un lubricante. El hielo se auto lubrica al derretirse, proporcionando una capa de agua para separar los cristales de hielo de la otra superficie. Otros sólidos, como el grafito, se auto lubrican al desprender pequeñas partículas de sí mismos que luego actuarán como lubricante.

Fuerzas Intermoleculares +

Cuando las moléculas están muy cerca entre sí tienden a interactuar. A menudo quieren aferrarse unas a otras, a través de la fuerza de Van der Waals u otra. Esto tiende a aumentar la fricción. El PTFE (marca registrada Teflon) tiende a tener fuerzas intermoleculares muy bajas y como resultado tiende a tener baja fricción.

Rigidez ?

Hay muchos "tiende a" y "a menudo" en los párrafos anteriores debido a cómo estos (y otros) efectos interactúan. Por ejemplo, aumentar la rugosidad de la superficie puede en realidad disminuir la fricción si permite que la lubricación llene mejor los espacios entre las superficies. También podría disminuir la fricción al simplemente separar la mayoría de las moléculas de la otra superficie para que las fuerzas intermoleculares sean menores. La rigidez de las superficies entra en juego cuando una superficie deforma a la otra. Por ejemplo, el caucho se deforma muy fácilmente, lo que le permite igualar la rugosidad de la otra materia, entrelazándose en ella, y reduciendo las distancias intermoleculares para aumentar las fuerzas intermoleculares. Esta es una de las razones por las que el caucho tiende a tener alta fricción. El latón, por otro lado, si bien también se deforma fácilmente, tiende a deformarse de una manera que arranca asperezas, que luego forman partículas lubricantes. Por lo tanto, la suavidad del latón en realidad disminuye la fricción.

Answer 5

Bueno, la respuesta de Ravi es correcta, pero creo que es un poco exagerada. Sin embargo, en caso de que estemos hablando del coeficiente de fricción de rodadura, en realidad depende de 3 cosas

1. Directamente proporcional a la reacción normal por superficie.

2. Directamente proporcional a la fuerza de fricción.

   3. Inversamente proporcional al radio del cilindro o rueda en rotación. El texto en negrita muestra el factor adicional para el caso de fricción de rodadura, por eso pensé que debería haber respondido eso.