Fricción

Un neumático que patina sobre concreto seco tiene un coeficiente de fricción de aproximadamente 0.7; sobre concreto mojado baja a unos 0.5.

La fuerza que se opone al deslizamiento

La fricción es la fuerza entre dos superficies en contacto que se opone a que se deslicen una sobre otra. Hace que un libro que se desliza se detenga, permite que funcionen los frenos e incluso que puedas caminar: prueba a caminar sobre hielo liso y descubrirás cuánto dependes de ella. La fricción siempre actúa a lo largo de la superficie y en contra del movimiento, o del movimiento que habría si no existiera fricción. OpenStax señala que, aunque es muy común, su comportamiento es muy complejo y aún no se comprende por completo. Por eso recurrimos sobre todo a reglas sencillas obtenidas mediante experimentos.

Observa dos superficies al microscopio: incluso las pulidas son rugosas y solo se tocan en las puntas de pequeñas irregularidades. Parte de la fricción se debe a que estas se enganchan entre sí, y gran parte, a que las moléculas de ambas superficies se adhieren en los puntos de contacto.

Fricción estática y cinética

Empuja suavemente una caja pesada y no pasará nada. La fricción estática iguala exactamente tu empuje, así que la fuerza neta es cero. Empuja más fuerte y la fricción estática aumentará para igualarlo, hasta cierto límite. Al superarlo, la caja empieza a deslizarse y actúa la fricción cinética. Esta suele ser menor, por eso es más fácil mantener en movimiento una caja que ya se desliza. Las reglas son f_s ≤ μ_s N para la fricción estática y f_k = μ_k N para la cinética, donde N es la fuerza normal y μ (la letra griega mu) es el coeficiente de fricción de ese par de superficies.

OpenStax presenta estos valores con una o dos cifras deliberadamente: la fricción varía según la limpieza, la rugosidad y la humedad de las superficies, así que los coeficientes son aproximados. Considera una caja de 100 kg sobre un suelo horizontal con μ_s = 0.45 y μ_k = 0.30. Su peso, y por tanto la fuerza normal, es 100 × 9.81 = 981 N. Para ponerla en movimiento debes empujar con más de 0.45 × 981 ≈ 441 N. Para mantenerla deslizándose a rapidez constante solo necesitas 0.30 × 981 ≈ 294 N.

De qué no depende la fricción

Aunque sorprenda, la fricción apenas depende del área de contacto. Un ladrillo se desliza con una fricción parecida tanto apoyado en su cara ancha como en su extremo estrecho. El contacto real solo ocurre en las irregularidades, y presionar más aumenta esa área efectiva; repartir el peso sobre una cara mayor no lo hace. La fricción depende de la fuerza normal y de los materiales. A velocidades habituales, la fricción cinética tampoco varía mucho con la rapidez, a diferencia de la resistencia del aire.

Mide μ con un libro y una moneda

Coloca una moneda sobre un libro de tapa dura e inclina lentamente el libro. A cierto ángulo, la moneda empieza a deslizarse; da unos golpecitos al libro y busca el ángulo con el que baja a rapidez constante. A ese ángulo, la componente de la gravedad paralela a la pendiente, m g sin θ, iguala la fricción cinética, μ_k m g cos θ, así que μ_k = tan θ. Si la moneda se desliza a rapidez constante a 17°, μ_k ≈ tan 17° ≈ 0.31.

La fricción también determina lo rápido que puede detenerse un auto. Si las ruedas se bloquean y los neumáticos patinan, la fricción cinética es la única fuerza horizontal, así que la desaceleración es μ_k g y la distancia de deslizamiento es v² ÷ (2 μ_k g). A 25 m/s (90 km/h), con μ_k = 0.7 sobre concreto seco, el auto patina unos 45.5 m; sobre concreto mojado, con μ_k = 0.5, patina unos 63.7 m. Es un modelo simplificado: no incluye el tiempo de reacción del conductor ni los frenos antibloqueo de los autos modernos, que mantienen el agarre de los neumáticos mediante fricción estática.