Fricción Estática

Fricción estática: Definición

Si tenemos una caja en el suelo e intentamos empujarla con cierta fuerza, puede que la caja se quede quieta y no se mueva. Esto se debe a la fuerza de rozamiento estático. La fuerza de rozamiento estático se produce cuando el objeto y la superficie están en reposo uno respecto del otro. No hay movimiento de uno respecto al otro. Debido al rozamiento estático, un objeto permanecerá inmóvil sobre una superficie sin resbalar. El suelo ejerce una fuerza de rozamiento estático que es igual en magnitud y opuesta en dirección a la fuerza aplicada hasta que la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de rozamiento estático máxima. La fuerza de rozamiento estático puede representarse como \(\overset\rightharpoonup{f_{mathrm s}}).

Fig. 2 - Una caja inicialmente en reposo experimenta una fuerza aplicada \(\overset\rightharpoonup F\) para vencer la fuerza de rozamiento estático.

En la figura anterior, vemos una caja que inicialmente está en reposo. La fuerza normal \(\overset\rightharpoonup N\) es hacia arriba y la ejerce el suelo sobre la caja, mientras que el peso \(\overset\rightharpoonup W\) actúa hacia abajo. Como la caja está en equilibrio, las magnitudes de la fuerza normal y del peso son iguales.

Entonces se aplica una fuerza \(\overset\rightharpoonup F\) sobre la caja tirando de ella hacia la derecha, con el tiempo la magnitud de esta fuerza aplicada aumenta gradualmente. La caja permanecerá en reposo durante algún tiempo. Esto se debe a que, aunque la fuerza aumente, la fuerza de rozamiento estático también aumenta para equilibrar la magnitud con la fuerza \(\overset\rightharpoonup F\).

La fuerza necesaria para mover la caja es igual y opuesta a la fuerza máxima de rozamiento estático. El valor máximo de la fuerza de rozamiento estático se indica como \({(f_{mathrm s})}_\max\) y es proporcional a la magnitud de la fuerza normal. El factor de proporcionalidad se muestra como \(\mu_{\mathrm s}\) y se denomina coeficiente de rozamiento estático. Una vez superada la fuerza máxima de rozamiento estático, la caja empezará a deslizarse hacia la derecha.

Fricción estática: Fórmula

El valor real del rozamiento estático puede oscilar entre cero (cuando no se ejerce ninguna fuerza sobre el objeto) y un valor máximo, que se representa matemáticamente como

$$f_s\leq{(f_s)}_{max}=\mu_sN.$$

Según la representación matemática, la relación de rozamiento estático es entre magnitudes, ya que la magnitud de rozamiento estático es proporcional tanto a la magnitud de la fuerza normal como a la rugosidad entre las dos superficies en contacto. Por tanto, las direcciones no importan como en las relaciones vectoriales.

Entonces, ¿qué significa esta fórmula?

• Cuando la fuerza ejercida \(\overset\rightharpoonup F\) está en un valor en el que se inicia el movimiento, la fórmula puede utilizarse para calcular la magnitud de la fuerza de rozamiento estático.
• Si la fuerza \(\overset\rightharpoonup F\) no hace que el objeto se mueva, entonces la magnitud de la fuerza de rozamiento estático debe ser menor que \(\mu_sN\). En este caso, la magnitud de la fuerza de rozamiento estático será simplemente igual a la magnitud de la fuerza aplicada \(\overset\rightharpoonup F\).

Fricción límite

Hemos mencionado que existe un límite en el que la fuerza \(\sobre flecha derecha F\) es mayor que el valor máximo de la fuerza de rozamiento estático. Si se supera el límite, la caja empieza a moverse. Cuando la fuerza de rozamiento estático es máxima y el movimiento está a punto de comenzar, la fuerza de rozamiento se denomina rozamiento límite. Cuando comienza el movimiento, el objeto ya no experimenta la fricción estática. En su lugar, el objeto experimenta la fuerza de rozamiento cinético.

Fig. 3 - Diagrama que muestra cómo cambian las fuerzas de rozamiento estático y de rozamiento cinético al aumentar la fuerza aplicada.

Si observamos el gráfico anterior, vemos que con una fuerza aplicada creciente \(\overset\rightharpoonup F\), la magnitud de la fuerza de rozamiento estático empieza a aumentar también, hasta que alcanza un pico en el que la magnitud es la del rozamiento límite. Después, el objeto empieza a moverse, y la fuerza de rozamiento estático deja de ser efectiva, pero sí lo es la fuerza de rozamiento cinético.

Ejemplos de rozamiento estático

Ahora vamos a investigar algunos ejemplos en los que interviene la fuerza de rozamiento estática.

Fricción estática vs. Fricción cinética

Entonces, ¿cuál es la diferencia entre rozamiento estático y rozamiento cinético?

Las diferencias entre las fuerzas de rozamiento estático y rozamiento cinético pueden resumirse así:

1. El rozamiento estático sólo se aplica mientras el objeto está inmóvil, mientras que la fuerza de rozamiento cinético se aplica cuando el objeto está en movimiento. (Una forma de recordar la diferencia clave entre ambas es pensar críticamente en sus definiciones. Mientras que estático significa carente de movimiento, cinético significa relativo a o resultante del movimiento).
2. El valor máximo de la fuerza de rozamiento estática es siempre mayor que la magnitud de la fuerza de rozamiento cinética, porque siempre es más fácil para un objeto mantener el movimiento que iniciar el movimiento desde el reposo.
3. El valor de la fuerza de rozamiento cinético sobre una superficie seca es esencialmente constante, independientemente de la velocidad del objeto. Mientras que la magnitud del rozamiento estático aumenta con la fuerza aplicada hasta alcanzar el rozamiento límite.