Rozamiento

Definición de Rozamiento

Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, entre dos superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas superficies o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento.

En todos los sólidos, las moléculas presentan rozamiento interno. Esta forma de rozamiento es la fuerza que hace que cualquier objeto oscilante, como una cuerda de piano o un diapasón, deje de vibrar.

Leyes clásicas del Rozamiento

Describen los factores de los que depende la fuerza de rozamiento. Fueron enunciadas por Guillaume Amontons (1663-1705) y Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) y establecen que:

La fuerza de rozamiento entre dos cuerpos es proporcional a la fuerza normal que ejerce un cuerpo sobre el otro.

La fuerza de rozamiento no depende del área de contacto de ambos cuerpos, aunque sí de la naturaleza de sus materiales.

La fuerza de rozamiento no depende de la velocidad a la que se deslicen los cuerpos.

La fuerza de rozamiento tiene sentido opuesto al movimiento (a la velocidad).

Partiendo de estos factores, matemáticamente la fuerza de Rozamiento se obtiene por medio de la siguiente expresión:

F→r = −μ⋅N⋅u→v

donde:

• F→r es la fuerza de rozamiento.
• μ es el coeficiente de rozamiento. Se trata de un valor a dimensional que depende de la naturaleza y del tratamiento de las sustancias que están en contacto.
• N es el módulo de la fuerza normal.
• u→v es un vector unitario en la dirección y sentido del vector velocidad.

Observando la ecuación anterior, podemos concluir que su módulo es:

Fr=μ⋅N

Tipos de Rozamiento

Existen dos tipos de rozamiento o fricción, la fricción estática (FE) y la fricción dinámica (FD).

El primero es la resistencia que se debe superar para poner en movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto.

El segundo, es la resistencia, de magnitud considerada constante, que se opone al movimiento pero una vez que éste ya comenzó. En resumen, lo que diferencia a un roce con el otro, es que el estático actúa cuando los cuerpos están en reposo relativo en tanto que el dinámico lo hace cuando ya están en movimiento.

Fricción estática

Es la fuerza que se opone al inicio del movimiento. Sobre un cuerpo en reposo al que se aplica una fuerza horizontal F, intervienen cuatro fuerzas:

F: la fuerza aplicada.
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que se opone al movimiento.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la gravedad.
N: la fuerza normal, con la que la superficie reacciona sobre el cuerpo sosteniéndolo.

Fricción dinámica

Dado un cuerpo en movimiento sobre una superficie horizontal, deben considerarse las siguientes fuerzas:

F: la fuerza aplicada.
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que se opone al movimiento.
Fi: fuerza de inercia, que se opone a la aceleración de cuerpo, y que es igual a la masa del cuerpo m por la aceleración que sufre a.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la gravedad.
N: la fuerza normal, que la superficie hace sobre el cuerpo sosteniéndolo.

Definición. Coeficiente de rozamiento

El rozamiento es independiente de la velocidad y del valor de la superficie de los cuerpos en contacto. Esta fuerza depende de la naturaleza de los cuerpos en contacto y del grado de pulimento de sus superficies. Es proporcional a la fuerza que actúa sobre el móvil perpendicularmente al plano de movimiento. A ésta última se la denomina fuerza normal (N).

Por lo tanto matemáticamente escribimos: Fr= µ·N, donde µ es un coeficiente característico de las superficies en contacto, denominado coeficiente de rozamiento.

Coeficiente de rozamiento de un cuerpo sobre otro es la relación que existe entre la fuerza de rozamiento y la que actúa sobre el móvil perpendicularmente a su plano de deslizamiento.

Ángulo de Rozamiento

Es una propiedad de los materiales granulares el cual tiene una interpretación física sencilla, al estar relacionado con el angulo de reposo o máximo angulo posible para la pendiente de un conjunto de dicho material granular. En un material granuloso cualquiera,el angulo de reposo esta determinado por la fricción, la cohesión y la forma de las partículas pero en un material sin cohesión y donde las partículas son muy pequeña en relación al tamaño del conjunto el angulo de reposo coincide con el angulo de rozamiento interno.

A veces resulta conveniente reemplazar la fuerza normal N y la fuerza de fricción F por su resultante R. Consideremos un bloque de peso W que descansa sobre una superficie horizontal plana. Si no se aplica ninguna fuerza horizontal obre el bloque, la resultante R coincide con la fuerza normal N.

Cuñas

Podemos definir la cuña  como aquella maquina simple con forma de prisma triangular con la punta afilada, que suele estar construida con metal, madera u otro material de alta resistencia a la compresión impacto. Por consiguiente, cualquier elemento afilado puede actuar como cuña.

Desde el punto de vista técnico, una cuña consiste en una herramienta bifacial cuyas caras forman un pequeño angulo agudo. De ese modo el funcionamiento delas cuñas responde al mismo principio del plano inclinado. En este caso, al moverse en la dirección de u extremo afilado, la fuerza aplicada obre la cabeza de la cuña se reparte en dos grandes fuerza antagonistas en sentido perpendicular a los planos que forman el angulo agudo, logrando desplazar objetos o mantenerlo en su posición.

Tornillos de Rosca Cuadrada

Se utilizan en gatos, prensas y otro mecanismo. Su estudio es similar al análisis de un bloque que se desliza a lo largo de un plano inclinado.

En el gato mostrado en la figura el tornillo soporta una carga  W y esta apoyado en la base del gato. El contacto entre el tornillo y la base ocurre a lo largo de una porción de sus roscas. Si se aplica una fuerza P sobre el mango, se puede hacer que el tornillo gire y levante a la carga W. La rosca de la base ha sido desenvuelta y se muestra como una linea recta en la figura.

 

Chumaceras rozamientos en ejes

Las chumaceras se utilizan para proporcionar soporte lateral a flecha y eje en rotación. Si la chumacera esta totalmente lubricada, la resistencia por fricción depende dela velocidad de rotación, el juego entre el eje y la chumacera y de la viscosidad del lubricante. Entonces, se puede suponer que el eje y la chumacera están en contacto directo a lo largo de una sola linea recta.

Las chumaceras se encuentran en varios sistemas de transporte y son a menudo autolubricantes. La fabricación industrial, la fabricación de comida y de bebidas y la industrias manufacturera textiles a menudo utilizan chumaceras en sus sistema de transporte.

Resistencia a la rozadura, rozamiento en ruedas

La resistencia al rodamiento es la energía que el auto necesita enviar a sus neumáticos para mantener el movimiento a una velocidad constante sobre una superficie. Simplificado, es el esfuerzo requerido para mantener al neumático rodando.

En principio, la resistencia al rodamiento ocurrirá en cada ocasión que un neumático hace contacto con el camino, por lo tanto, no se puede evitar, sin embargo, esta se puede reducir. Los neumáticos pueden diseñarse con compuestos de la banda de rodadura especialmente elaborados que son más resistentes a la generación de calor, construidos para minimizar la deflexión del neumático y reducir la pérdida de energía. Estos se conocen como neumáticos de baja resistencia al rodamiento.

Rozamiento en correas

Los cables o bandas transmiten el movimiento de una parte a otra mediante una función importante en la absorción de carga de choque y en el amortiguamiento de los efectos de fuerzas vibrante.

Sea una polea articulada a un elemento fijo, alrededor de la cual eta enrollada una correa plana con un angulo de contacto igual a β, tal como se muestra en la figura. Siendo T1 y T2 las tensiones (esfuerzo normales) en lo extremo de la banda cuando esta a punto de deslizarse hacia la izquierda. 

Si el rozamiento entre la polea y la banda es despreciable, el equilibrio solo puede darse cuando la tensiones T1 y T2 son iguales. Esto puede demostrarse aplicando la sumatoria de momento al punto 0, teniendo en cuenta el diagrama de olido libre de la banda mostrado a continuación:

La reacción que ejerce la polea sobre la banda posee una dirección normal (radial) en cualquier punto de contacto polea-banda y e halla distribuida sobre la superficie de contacto. La reacción total era igual a la suma de toda la fuerza distribuida y tendrá también una dirección normal. Las reaccione del punto de apoyo son concurrente en el ponto 0, por lo que no crean momento respecto a dicho punto. Con lo que obtiene la igualdad que se quería demostrar:

Por lo tanto: