DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA
ENERGÍA Y MECÁNICA
INGENIERÍA MECÁNICA
ESTÁTICA
TERCER PARCIAL
Ing. FRANCISCO J. MONTERO M. Ph.D.
ING. ANGELO VILLAVICENCIO POVEDA MSc
MECANICA VECTORIAL PARA INGENIEROS HIBBELER
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Características y efectos de la fricción seca, Diapositivas de Estática
El concepto de fricción seca y sus características, mostrando cómo analizar el equilibrio de cuerpos rígidos sometidos a esta fuerza. Se explican las diferencias entre fuerza de fricción estática y cinética, y se muestran problemas relacionados con la fricción seca en diferentes situaciones.
Tipo: Diapositivas
2021/2022
1 / 176
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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA
ENERGÍA Y MECÁNICA
INGENIERÍA MECÁNICA
ESTÁTICA
TERCER PARCIAL
Ing. FRANCISCO J. MONTERO M. Ph.D.
ING. ANGELO VILLAVICENCIO POVEDA MSc MECANICA VECTORIAL PARA INGENIEROS HIBBELER
Objetivos
PARTE OCHO
FRICCIÓN
Presentar el concepto de fricción seca y mostrar cómo analizar el equilibrio de cuerpos rígidos sometidos a esta fuerza. Presentar aplicaciones específicas del análisis de la fuerza friccional en cuñas, tornillos, bandas y chumaceras. Estudiar el concepto de la resistencia al rodamiento.
8.1 Características de la fricción seca
La fricción seca: este tipo de fricción es llamada a menudo fricción de Coulomb, ya que sus características fueron estudiadas extensamente por C. A. Coulomb en 1781. Específicamente, la fricción seca ocurre entre las superficies de cuerpos que están en contacto en ausencia de un fluido lubricante. El calor que genera la acción abrasiva de la fricción puede ser evidenciado al usar esta esmeriladora para afilar una hoja metálica.
8.1 Características de la fricción seca
Teoría de la fricción seca.
- La teoría de la fricción seca puede explicarse de manera conveniente considerando qué efectos provoca el tirar horizontalmente de un bloque de peso uniforme W que descansa sobre una superficie horizontal rugosa, figura 8 - 1 a.
- Para obtener un entendimiento pleno de la naturaleza de la fricción, es necesario considerar a las superficies en contacto como no rígidas, o deformables. Sin embargo, el resto del bloque será considerado rígido.
- Como se muestra en el diagrama de cuerpo libre del bloque, figura 8 - 1 b, el piso ejerce una distribución de fuerza normal ∆Nn y una fuerza de fricción ∆Fn a lo largo de la superficie de contacto figura 8-1a figura 8-1b
8.1 Características de la fricción seca
Equilibrio.
- El efecto de las cargas distribuidas normal y de fricción será indicado mediante sus resultantes N y F, las cuales están representadas en el diagrama de cuerpo libre como se muestra en la figura 8 - 1 d.
- Es claro que la distribución de ∆Fn en la figura 8 - 1 b indica que F actúa siempre tangencialmente a la superficie de contacto, opuesta a la dirección de P.
- Por otra parte, la fuerza normal N es determinada a partir de la distribución de ∆Nn en la figura 8 - 1 b y está dirigida hacia arriba para equilibrar el peso W del bloque. figura 8-1b
8.1 Características de la fricción seca
- N actúa a una distancia x a la derecha de la línea de acción de W, figura 8 - 1 d.
- Esta ubicación, que coincide con el centroide o centro geométrico del diagrama de carga en la figura 8 - 1 b, es necesaria para equilibrar el “efecto de volteo” causado por P.
- Por ejemplo, si P se aplica a una altura h desde la superficie, figura 8 - 1 d, entonces el equilibrio por momento con respecto al punto O se satisface si Wx = Ph o x = Ph/W.
- En particular, el bloque estará a punto de volcarse si N actúa en la esquina derecha del bloque, es decir, en x = a/ 2. figura 8-1d
8.1 Características de la fricción seca
Movimiento inminente.
- Cuando este valor es alcanzado, el bloque está en equilibrio inestable ya que cualquier incremento adicional en P ocasionará deformaciones y fracturas en los puntos de contacto superficial, y en consecuencia el bloque empezará a moverse.
- Experimentalmente, ha sido determinado que la fuerza límite de fricción estática Fs es directamente proporcional a la fuerza normal resultante N. Esto puede expresarse matemáticamente como: figura 8-1e
donde la constante de proporcionalidad, 𝜇𝑠 , es llamada el coeficiente de fricción estática
8.1 Características de la fricción seca
- Entonces, cuando el bloque está a punto de deslizarse, la fuerza normal N y la fuerza de fricción Fs se combinan para crear una resultante Rs, figura 8 - 1 e.
- El ángulo ∅𝑆 que Rs forma con N se llama ángulo de fricción estática. A partir de la figura: figura 8-1e
∅𝑆 = tan
− 1
= tan
− 1
= tan
− 1
8.1 Características de la fricción seca
Valores tabulares de 𝝁𝑺.
- Para cada valor de 𝜇𝑆 está dado un amplio rango de valores ya que los ensayos experimentales fueron hechos bajo condiciones variables de rugosidad y limpieza de las superficies en contacto.
- Por tanto, en las aplicaciones es importante tener cuidado y buen juicio al seleccionar un coeficiente de fricción para un conjunto dado de condiciones.
- Cuando se requiere un cálculo más preciso de Fs, el coeficiente de fricción debe ser determinado directamente por medio de un experimento que implique los dos materiales por ser usados.
8.1 Características de la fricción seca
8.1 Características de la fricción seca
Movimiento.
- La caída que ocurre en la magnitud de la fuerza de fricción, desde Fs (estática) hasta Fk (cinética), puede ser explicada examinando de nuevo las superficies de contacto, figura 8 - 2 b.
- Aquí se ve que cuando P > Fs, entonces P tiene la capacidad de cortar los picos en las superficies de contacto y ocasionar que el bloque se “levante” un tanto de su posición asentada y “viaje” por encima de esos picos. figura 8-2a figura 8-2b
8.1 Características de la fricción seca
- Una vez que el bloque empieza a deslizarse, altas temperaturas locales en los puntos de contacto causan una momentánea adhesión (soldadura) de esos puntos.
- El corte continuado de esas soldaduras es el mecanismo dominante que genera la fricción.
- Como las fuerzas de contacto resultantes ∆Rn están más ligeramente alineadas en la dirección vertical que antes, aportan componentes de fricción más pequeñas, ∆Fn, que cuando las irregularidades están trabadas entre sí. Los experimentos con bloques deslizables indican que la magnitud de la fuerza de fricción resultante Fk es directamente proporcional a la magnitud de la fuerza normal resultante N. Esto puede ser expresado matemáticamente como:
Aquí la constante de proporcionalidad, 𝜇𝑘, se llama coeficiente de fricción cinética. Los valores típicos de 𝜇𝑘 son aproximadamente 25 por ciento más pequeños que los dados en la tabla 8 - 1 para 𝜇𝑠.
8.1 Características de la fricción seca
- Los efectos mencionados con respecto a la fricción pueden ser resumidos mediante referencia a la gráfica que aparece en la figura 8 - 3 , la cual muestra la variación de la fuerza de fricción F contra la carga aplicada P.
- Aquí, la fuerza de fricción está clasificada en tres maneras diferentes: F es una fuerza de fricción estática si se mantiene el equilibrio; F es una fuerza de fricción estática límite Fs cuando alcanza un valor máximo necesario para mantener el equilibrio; y finalmente, F se llama fuerza de fricción cinética Fk cuando el deslizamiento ocurre en la superficie de contacto. figura 8- 3
8.1 Características de la fricción seca
Observe también en la gráfica que para valores muy grandes de P o para velocidades altas, debido a los efectos aerodinámicos, Fk e igualmente 𝜇𝑘 empiezan a disminuir. figura 8- 3