Rozamiento por deslizamiento
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Rozamiento por deslizamiento.(rozamiento de Coulom o rozamiento seco) Se define como el rozamiento de superficies en contacto de cuerpos sólidos en ausencia de una capa separadora de fluido lubricante
Sumario
Historia
A la teoría del rozamiento por deslizamiento se da, a veces, el nombre de rozamiento de Coulomb, aun cuando las relaciones fundamentales que entraña fueran conocidas con anterioridad a COULOMB. Las leyes que rigen el comportamiento del rozamiento por deslizamiento se basan principalmente en los experimentos realizados por C0UL0MB en 1781 y a los trabajos de MORIN entre 1831 y 1834
Experimento
El experimento consistirá en la aplicación de una fuerza horizontal T de tracción que variará con continuidad desde cero hasta un valor suficiente para poner el bloque en movimiento y comunicarle una velocidad apreciable. El diagrama para el sólido libre del bloque correspondiente a un valor cualquiera de T es el indicado en la figura 66b, y la fuerza tangencial de rozamiento que el plano ejerce sobre el bloque se señala con la letra F. Esta fuerza de rozamiento tendrá siempre la dirección del movimiento y sentido contrario a él o a la tendencia al movimiento del cuerpo sobre el cual actúa. También existe una fuerza normal N que en este caso es igual a P, y la fuerza resultante R que la superficie soporte ejerce sobre el bloque es la resultante de N y F. En la figura 66c puede verse una ampliación de las irregularidades de las superficies ásperas que ayudarán a comprender la acción mecánica del rozamiento. El soporte es, necesariamente, intermitente y se produce en las crestas sin pulimento. Las direcciones de las reacciones que actúan sobre el bloque R1, R2, R3, etc., se pueden considerar normales a la superficie de contacto en la cresta respectiva.
La fuerza normal total N no es más que la suma de las componentes normales de las reacciones y la fuerza total de rozamiento F es la suma de las componentes tangenciales de las reacciones. Cuando las superficies se hallan en movimiento relativo, los contactos se aproximan más a las crestas de las rugosidades, y las componentes tangenciales de las reacciones serán menores que cuando las superficies se hallan en reposo una respecto a otra. Esta consideración explica el conocido hecho de que la fuerza T necesaria para mantener el movimiento es menor que la requerida para poner en movimiento al bloque cuando las irregularidades casi están encajadas.
Supongamos ahora que se realiza el experimento mencionado y que se mide la fuerza de rozamiento F en función de T. En la figura 66d puede verse la relación experimental que se obtiene. Cuando T es nula, el equilibrio exige que no haya fuerza de rozamiento. Al crecer T, la fuerza de rozamiento deberá igualarse con T mientras el bloque no se deslice. Durante este período el bloque está en equilibrio y todas las fuerzas que actúan sobre el bloque deberán satisfacer las ecuaciones del equilibrio.
Por último, se alcanza un valor de T que hace que el bloque se deslice en la dirección y sentido de la fuerza aplicada. En este mismo instante la fuerza de rozamiento disminuye brusca y ligeramente a un valor algo inferior. Se mantiene entonces esencialmente constante durante un cierto período y luego disminuye aún más al aumentar la velocidad cuando ésta es más elevada.
Rozamiento estático
La zona hasta el punto de deslizamiento recibe el nombre de dominio de rozamiento estático, y el valor de la fuerza de rozamiento queda determinado por las ecuaciones del equilibrio. Esta fuerza puede tener un valor cualquiera entre cero y el valor máximo en el límite, inclusive. Para un par dado de superficies no pulidas, este valor máximo del rozamiento estático Fe resulta ser proporcional a la fuerza normal N.
Así, Fe = feN donde f, es la constante de proporcionalidad que recibe el nombre de coeficiente de rozamiento estático. Téngase bien en cuenta que esta ecuación sólo describe el valor máximo o límite de la fuerza de rozamiento estático, pero no un valor inferior. Luego esta ecuación se aplicará solamente a casos en que se sepa que el movimiento es inminente.
Rozamiento cinético
Una vez se produce el deslizamiento, nos hallamos ante unas condiciones de rozamiento cinético. El rozamiento cinético (tambi llamado dinámico) entraña una fuerza algo menor que la fuerza máxima de rozamiento estático. La fuerza F de rozamiento cinético también resulta ser proporcional a la fuerza normal.
Así, F= feN donde f es el coeficiente de rozamiento cinético. Se deduce que f. es algo menor que f. Al aumentar la velocidad del bloque, el coeficiente de rozamiento cinético disminuye algo y al alcanzar velocidades elevadas, puede hacerse apreciable el efecto lubricante de la capa de aire existente entre las superficies. Los coeficientes de rozamiento dependen en gran parte de la condición exacta de las superficies, así como de la velocidad y se hallan sujetos a un gran margen de incertidumbre.
Las dos ecuaciones para la fuerza de rozamiento suelen escribirse, simplemente, en la forma Se tendrá conocimiento del problema cuando vayan implícitos o el rozamiento estático límite con su correspondiente coeficiente de rozamiento estático, o el rozamiento cinético con su correspondiente coeficiente cinético. Insistimos en que muchos problemas llevan consigo una fuerza de rozamiento estático menor que la de valor máximo para movimierkto inminente y, por tanto, en tal caso la ecuación del rozamiento no puede utilizarse. En la figura 66c puede observarse que en el caso de superficies rugosas son más posibLs ángulos grandes formados por las reacciones con la dirección de la normal que en el caso de superficies más lisas. Así pues, el coeficiente de rozamiento mide la rugosidad de un par de superficies en contacto e incorpora una propiedad geométrica de estos contornos ásperos. Carece de sentido hablar de coeficiente de rozamiento de una soia superficie. La dirección de la resultante R medida, en la figura 66b, a partir de la dirección de N, viene determinada por tga=F/N. Cuando la fuerza de rozamiento alcanza su valor estático máximo, el ángulo u alcanza su valor máximo 4.
Así, tg 4=f. Al producirse el deslizamiento, el ángulo a tomará un valor 4 correspondiente a la fuerza de rozamiento cinético.
En forma análoga, Es costumbre escribir, simplemente, tga=F/N, tg =f (42) en donde la aplicación al caso estático límite o al caso cinético se infiere del problema que se deba resolver. Al ángulo 4 se le llama ángulo de rozamiento estático, y al ángulo 4, ángulo de rozamiento cinético. Este ángulo define claramente, para cada caso, la posición límite de la reacción total R entre las dos superficies en contacto. Si el movimiento es inminente, R debe ser una generatriz de un cono recto de revolución de semiángulo en el vértice 4, según se indica en la figura 67. Si el movimiento no es inminente, R será interior al cono. Este cono de semiángulo 4 recibe el nombre de cono de roamento estático y representa el lugar geométrico de las posiciones posibles de la reacción R para el movimiento inn-iinente. Si se produce el movimiento, se aplica el ángulo de rozamiento cinético y la reacción deberá encontrarse sobre la superficie de un cono algo menor de semiángulo 4. Este cono es el de rozamiento cinético.
Otro experimento pone de manifiesto que la fuerza de rozamiento es independiente del área de la superficie de contacto. Esto es cierto mientras la presión no sea demasiado grande. Para presiones elevadas varían las características de las superficies y crece el coeficiente de rozamiento.
Problemas de rozamiento por deslizamiento
Tres son los tipos de problemas de rozamiento por deslizamiento que se presentan comúnmente en Mecánica. En el primer tipo hay que buscar Is condición de movimiento inminente. En el enunciado del problema deberá quedar claro que hay que utilizar el requisito de rozamiento estático límite.
En el segundo tipo de problemas no precisa que haya movimiento inminente, y por tanto la fuerza de roIj zamiento puede ser menor que la dada por la ecuación 41 con el coeficiente de rozamiento estático. En este caso la fuerza de rozamiento quedará determinada por las ecuaciones del equilibrio únicamente. En un tal problema puede preguntarse si el rozamiento existente es suficiente o no para mantener el cuerpo en reposo. Para contestar a esto habrá que suponer que hay equilibrio y de las ecuaciones del equilibrio podrá calcularse la fuerza de rozamiento necesaria para mantener este estado. Puede entonces compararse esta fuerza de rozamiento con el rozamiento estático máximo que pueden soportar las superficies, calculado de la ecuación 41 en donde f = f. Si F es menor que la que da la ecuación 41, se deduce que la fuerza de rozamiento supuesta puede ser soportada y por tanto el cuerpo se halla en reposo. Si el valor calculado de F es mayor que el valor límite, se deduce que las superficies dadas no pueden soportar tanta fuerza de rozamiento y por tanto hay movimiento y el rozamiento será cinético. El tercer tipo de problemas entraña movimiento relativo entre las superficies en contacto y en tal caso se aplica el coeficiente de rozamiento cinético. En este caso, la ecuación 41 con f = f,, dará siempre directamente la fuerza de rozamiento cinético. La discusión anterior es aplicable a todas las superficies secas en contacto y, hasta un cierto límite, a superficies móviles parcialmente lubricadas. En la tabla D2 del Apéndice D se dan algunos valores típicos de coeficientes de rozamiento. Estos valores son sólo aproximados y están sujetos a variaciones considerables, según sean las condiciones exactas que prevalezcan. Sin embargo, pueden utilizar- se como ejemplos típicos de las magnitudes de los efectos de rozamiento.
Cuando se requiera un cálculo práctico que entrañe al rozamiento, suele ser conveniente determinar el coeficiente de rozamiento apropiado mediante un experimento en el cual se reproduzcan lo más exactamente posible las condiciones de las superficies del problema.
Fuente
- J.l.MERIAM. MECÁNICA. Editorial Pueblo y Educación,1978.254-258P.
