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Rozamiento por Deslizamiento Sebastián Ante, Fausto Aranda Departamento de Física, Universidad de las fuerzas armadas ESPE, Av. General Rumiñahui s/n y Ambato, Sangolquí - Ecuador Departamento de ciencias exactas E-mail: [email protected] Resumen En la práctica se analizó como se debe obtener experimentalmente el coeficiente de rozamiento dinámico e identifico los tipos de rozamiento existentes entre superficies .En donde por teoría la fuerza de rozamiento por deslizamiento se produce cuando dos cuerpos están en movimiento y que dependiendo de la rugosidad de las superficies, y se tiene dos coeficientes uno estático cuando los cuerpos en contacto están en reposo y otro dinámico cuando dos cuerpos en contacto están en movimiento .Realizando diferentes procedimientos como: el plano horizontal que fue clocado el cuerpo de prueba sobre la superficie de la mesa conectado a un dinamómetro, y realizo de forma parecida pero con el plano inclinado con el cuerpo de prueba de manera ascendiente y descendiente en donde se realizó los respectivos cálculos. Palabras clave: dinamómetro, coeficiente de rozamiento dinámico, rugosidad de superficies.

Abstract In practice, it was analyzed how the coefficient of dynamic friction should be obtained experimentally and identify the types of friction existing between surfaces. Where, by theory, the sliding friction force occurs when two bodies are in motion and depending on the roughness of the surface. the surfaces, and you have two coefficients one static when the bodies in contact are at rest and another dynamic when two bodies in contact are moving. Performing different procedures such as: the horizontal plane that was closed the test body on the surface of the table connected to a dynamometer, and performed similarly but with the inclined plane with the test body ascending and descending where the respective calculations were made. Keywords: dynamometer, coefficient of dynamic friction, surface roughness. Pacs: Dinamómetro, revisar en https://es.wikipedia.org/wiki/Dinam%C3%B3metro Coeficiente de rozamiento dinámico, revisar en https://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_rozamiento Rugosidad de superficies, revisar en https://es.wikipedia.org/wiki/Rugosidad_(mec%C3%A1nica)

Objetivo: - Analizar cómo obtener experimentalmente el coeficiente de rozamiento estático o dinámico µ entre distintas substancias que se encuentran en contacto y verificar las leyes de rozamiento - Identificar los tipos de rozamiento existentes entre superficies.

Introducción El rozamiento entre dos superficies en contacto ha sido aprovechado por nuestros antepasados más remotos para hacer fuego frotando maderas. En nuestra época, el rozamiento tiene una gran importancia económica, se estima que si se le prestase mayor atención se podría ahorrar muchísima energía y recursos económicos.

Históricamente, el estudio del rozamiento comienza con Leonardo da Vinci que dedujo las leyes que gobiernan el movimiento de un bloque rectangular que desliza sobre una superficie plana. Sin embargo, este estudio pasó desapercibido. La mayoría de las superficies, aún las que se consideran pulidas son extremadamente rugosas a

escala microscópica. Los picos de las dos superficies que se ponen en contacto determinan el área real de contacto que es una pequeña proporción del área aparente de contacto (el área de la base del bloque). El área real de contacto aumenta cuando aumenta la presión (la fuerza normal) ya que los picos se deforman. La fuerza normal, reacción del plano o fuerza que ejerce el plano sobre el bloque depende del peso del bloque, la inclinación del plano y de otras fuerzas que se ejerzan sobre el bloque. La fuerza de fricción o la fuerza de rozamiento es la fuerza que existe entre dos superficies en contacto, que se opone al movimiento relativo entre ambas superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del deslizamiento (fuerza de fricción estática).

Ilustraciones:

Figura 5: Plano inclinado con el cuerpo de prueba

ascendiendo Equipo y Materiales:

Figura 6: Rampa

𝑓𝑟 = −𝜇𝑁 Figura 1: ley deslizamiento.

de

fuerza

de

rozamiento

por

Figura 7: Dinamómetro

Figura 2: Movimiento con velocidad constante

Figura 8: Regla graduada

Figura 3: Movimiento con velocidad constante en superficie inclinada

𝜇𝑐 =

𝐹 − tan ∞ 𝑁

Figura 4: coeficiente de rozamiento dinámico

Figura 9: Graduador

Instrucciones o procedimiento:

5. Actividad- Tabulación de datos



1.- Plano Horizontal

Plano Horizontal: Determinar el peso del cuerpo de prueba (N). Coloque cuerpo de prueba sobre la superficie de la mesa y conéctelo al dinamómetro. Jale esté con movimiento uniforme hasta que se rompa el estado de equilibrio. Repita esta operación 10 veces. Aumenta el peso del cuerpo, mediante peso sobre él (N+50gf, N+100gf, N+150gf, y N+200gf) y efectúe la operación anterior. Recuerde que el dinamómetro debe estar encerrado en esta disposición



Plano inclinado con el cuerpo de prueba descendiendo: Coloque el cuerpo de prueba en la parte superior del plano inclinado y lentamente aumente la inclinación de este, hasta que aquél comience libremente a deslizarse. Determine, luego de 10 medidas, la inclinación media repita esta operación aumentando el peso del cuerpo (+50gf, +100gf, +150gf, y +200gf) Figura 3: Movimiento con constante en superficie inclinada



velocidad

Plano inclinado con el cuerpo de prueba ascendiendo: Acople cuerpo de prueba al dinamómetro previamente encerrado. Aplica una fuerza progresiva Hasta que el movimiento del cuerpo sea inminente. Repite esta operación 10 veces.

Tabla XII. Registro de datos Fuerza de tracción Normal Superficies: Rampa Peso del cuerpo de prueba y adicionales

Fuerza de tracción F

μ=F/N

N

2.2

0.75

0.340909

N+50gf

2.69

0.95

0.35316

N+100gf 3.18

1.1

0.345912

N+150gf

1.25

0.340599

1.4

0.336538

Pro. μ=

0.343424

3.67

N+200gf 4.16

2.- Plano Inclinado con el cuerpo de prueba descendiendo Tabla XII. Registro de datos Peso-ángulo inclinación en un plano inclinado Superficies: Rampa Peso del cuerpo y adicionales N (W)

Inclinación en ( 𝛼)

μ=tg( 𝛼 )

W

2.2

17

0.305731

W+50gf

2.69

15.5

0.277325

W+100gf

3.18

14

0.249328

W+150gf

3.67

13

0.230868

W+200gf

4.16

12

0.212557

Pro. μ=

0.255162

Efecto este proceso para inclinaciones de 5°, 15°,30° y 45° Figura 5: Plano inclinado con el cuerpo de prueba ascendiendo Anoté los datos en la hoja técnica.

3.- Plano Inclinado con el cuerpo de prueba ascendiendo

Tabla XIV. Registro de datos Peso-ángulo y Fuerza de tracción

Anexo: 1 Análisis:

Superficies: Rampa Peso cuerpo (W)

(𝛼)

Fuerza Normal

Fuerza de tracción

μ=(F/N)tg(𝛼)

2.2

0

2.2

0.75

0.340909

2.2

5

2.191

0.85

0.300462

2.2

15

2.125

1.25

0.320286

2.2

30

1.905

1.65

0.288791

2.2

45

1.555

2

0.286173

𝑓𝑟𝑐 = −μN

Pro. μ=

0.307324

𝑚 = tan 𝛼 =

Fuerza normal – Coeficiente de rozamiento Anexo: 2

Δ Fr ΔN

=

Fr2−Fr1 𝑁2−𝑁1

=𝐴

𝑁

Ejemplo de cálculos:

[𝐴] = [ ] = 1 = μ 𝑁

Con 𝛼 = 0 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁 − cos(0)2.2 = 0 𝑁 = 2.2 Con 𝛼 = 5 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁 − cos(5)2.2 = 0 𝑁 = 2.191

B.- En base a la segunda parte realice el gráfico: Peso del cuerpo – Coeficiente de rozamiento y realice un estudio de él

Con 𝛼 = 15 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁 − cos(15)2.2 = 0 𝑁 = 2.125

𝛴𝐹𝑥 = 0 𝑓𝑟 − 𝑚𝑔 sin 𝛼 = 0 μN = 𝑚𝑔 sin 𝛼 𝑚𝑔 sin 𝛼 μ𝑠 = 𝑚𝑔 cos 𝛼 μ𝑠 = tan 𝛼 μ𝑠 ; No tiene dimensión, es adimensional

Con 𝛼 = 30 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁 − cos(30)2.2 = 0 𝑁 = 1.905 Con 𝛼 = 45 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁 − cos(45)2.2 = 0 𝑁 = 1.555

6. Actividad-Preguntas: A.- Considerando la primera parte del experimento realice los gráficos: Fuerza de tracción – Fuerza normal

Anexo: 3 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁 = 𝑚𝑔 cos 𝛼

D.- Construya un cuadro resumen de coeficiente de rozamiento para diferentes superficies en contacto. μs

Superficie

μc

Aluminio/Acero

0.61

0.47

Madera/Madera

0.4

0.3

Madera/Piedra

0.7

0.3

Acero/Acero

0.15

0.09

Como se puede observar, el μ𝑠 será mayor al μ𝑐 esto se debe, porque al inicio siempre se necesitara más fuerza y de la misma forma existirá una fuerza contraria que trate de contrarrestar la fuerza aplicada para empezar el movimiento, este fenómeno se puede explicar de mejor forma gracias a la 3ra ley de Newton “Acción y reacción” E.- Explique las características y origen de la fuerza de rozamiento, desde una concepción moderna. Cuando un cuerpo se desliza sobre una superficie, tarde o temprano acabará parándose; esta afirmación parece contradecir la primera ley de Newton o de la inercia. Y porque sucede este comportamiento es debido a que dos superficies están en contacto, aparece una fuerza debida al rozamiento entre las imperfecciones microscópicas de los materiales constituyentes.

Conclusiones En conclusión la fuerza de rozamiento se opone al movimiento de un bloque que desliza sobre un plano también es proporcional a la fuerza normal que ejerce el plano sobre el bloque. Otra cosa a concluir fue que la fuerza de rozamiento no depende del área aparente de contacto. Y una vez empezado el movimiento, la fuerza de rozamiento es independiente de la velocidad. El rozamiento dinámico o por deslizamiento se produce cuando una superficie desliza sobra sobre otra. Este rozamiento se debe también a los enlaces que se forman entre átomos de ambos materiales. Sin embargo, al ser estos enlaces de menor duración, por el movimiento relativo, la fuerza de rozamiento estático es inferior que la máxima posible en el caso estático.

Se encuentran las siguientes características: 





 

Toda fuerza de rozamiento tiene la dirección de la superficie de contacto y sentido contrario al movimiento. El valor de su módulo toma valores desde cero hasta un valor máximo, que coincide con la fuerza mínima para iniciar el movimiento. Una vez ha comenzado el movimiento, el valor del módulo disminuye hasta un valor determinado que permanece constante mientras el cuerpo siga moviéndose. La fuerza de rozamiento no depende del área de contacto entre superficies. La fuerza de rozamiento es perpendicular a la fuerza Normal.

Recomendaciones:  

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Bibliografía: 

Resultados de aprendizaje Como aprendizajes podemos decir que podemos calcular el coeficiente dinámico de una superficie horizontal, de una superficie inclinada de cuerpo moviéndose hacia abajo y de superficie de inclinada de cuerpo moviéndose hacia arriba, todo eso debido al rozamiento de superficies que existe.

Tomar en cuenta las indicaciones dadas en el libro como en el laboratorio Tener cuidado en el laboratorio a la hora de manipular los instrumentos, de esa manera evitar posibles daños Verificar bien los datos, antes de realizar los cálculos para no cometer errores.

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G. Morones, “Practicas del laboratorio de física”, Editorial Halar, Mexico, 1979. (2007). OFFARM, 1,2,3. Ing. F. Guevara, “Guias del laboratorio de Física de la Escuela Politécnica del Ejercito”, Imprenta Espe, 2006-2007 C.Bertollo, “Física Experimental”, Publicación de la Universidad Tecnologica Nacional,Buenos Aires. M.Villavicencio,”Fundamentos de la Física Experimental”, Editorial Pio XII, Ambato,1980. Ing. F. Guevara, “Guias de laboratorio de Física de la Escuela Politécnica del Ejercito”

Anexos: Anexo: 1

Fuerza de tracción – Fuerza normal

Anexo: 2 Fuerza normal – Coeficiente de rozamiento

Anexo: 3 Peso del cuerpo – Coeficiente de rozamiento

Anexo: 4

Anexo: 5

Anexo: 7

Anexo: 8

Anexo: 9 Anexo: 6