Documento experimental sobre la fuerza
Primero, fricción seca
(1) Fricción estática
Mientras exista una tendencia al deslizamiento relativo entre dos objetos, se producirá fricción. Si la tendencia al deslizamiento no es demasiado fuerte, no se realizará un deslizamiento relativo debido al efecto de la fricción. La fricción en este momento se llama fricción estática fS. Se puede observar que la fricción estática es causada por la tendencia del movimiento relativo entre objetos. La causa de las tendencias de movimiento relativo son fuerzas externas. Por lo tanto, las condiciones para generar fricción estática incluyen no sólo la superficie de contacto no lisa y la presión positiva, sino también fuerzas externas. La magnitud y dirección de la fuerza de fricción estática dependen de la tendencia relativa al deslizamiento. Dado que la fricción es la fuerza que impide el deslizamiento relativo, la dirección de la fricción estática es naturalmente opuesta a la dirección de la tendencia al deslizamiento relativo en la superficie de contacto. Ambos objetos experimentan fuerzas de fricción estática en la dirección opuesta a la tendencia de cada objeto a deslizarse con respecto a la superficie de contacto. La magnitud de la fricción estática también depende de la tendencia al deslizamiento relativo. Si no hay una tendencia relativa al deslizamiento, no hay fricción estática, es decir, la magnitud de la fricción es cero. Una vez que haya una tendencia relativa al deslizamiento, aparecerá la fricción estática. Bajo ciertas condiciones, la tendencia relativa al deslizamiento entre objetos es cierta, y la fuerza de fricción estática tiene una cierta magnitud correspondiente. Debería ser suficiente para compensar la tendencia relativa al deslizamiento, de modo que el deslizamiento relativo no ocurra realmente. Por lo tanto, en problemas específicos, la magnitud de la fricción estática a menudo no se conoce de antemano y debe calcularse a partir de la ecuación dinámica del movimiento basándose en la condición de que "no exista un deslizamiento relativo real entre objetos". Una vez que la situación cambia y la tendencia del deslizamiento relativo entre objetos cambia, el tamaño de la fuerza de fricción estática se ajusta automáticamente de modo que el deslizamiento relativo nunca pueda ocurrir. Sin embargo, el ajuste automático de la fricción estática no se puede realizar de forma indefinida y su límite máximo se denomina fricción estática máxima. Cuando no se excede la fricción estática máxima, cuanto mayor es la fuerza externa, mayor es la fricción estática. Una vez que se excede la fricción estática máxima, el objeto comienza a deslizarse y la fricción estática se convierte en fricción deslizante. Entonces, ¿con qué está relacionada la fricción estática máxima? Los experimentos muestran que la fuerza de fricción estática máxima fmax es proporcional a la presión normal n entre los dos objetos. No tiene nada que ver con el área de la superficie de contacto, sino que está relacionada con las propiedades de la superficie de contacto (como la. material de la superficie de contacto, la rugosidad de la superficie de contacto, etc.). Es decir, fmax =μSN, donde μS se denomina coeficiente de fricción estática, que depende del material de la superficie de contacto y del estado de la superficie de contacto. . La práctica ha demostrado que fS≤fmax=μSN.
(2) Fricción por deslizamiento
Cuando la fuerza externa excede la fricción estática máxima, el objeto comienza a deslizarse y la fricción continúa existiendo, pero la fricción estática se convierte en deslizamiento. fricción. Los objetos se deslizan relativamente a lo largo de la superficie de contacto y la fricción que evita el deslizamiento relativo sobre la superficie de contacto se llama fricción por deslizamiento. La dirección de la fricción por deslizamiento es naturalmente opuesta a la dirección de deslizamiento relativo sobre la superficie de contacto. La magnitud de la fuerza de fricción por deslizamiento cambia con el cambio de la velocidad de deslizamiento relativa. La velocidad de deslizamiento relativa aumenta gradualmente desde cero, mientras que la fuerza de fricción por deslizamiento disminuye gradualmente desde la fuerza de fricción estática máxima fmax = μ n. La fuerza es menor que la fuerza de fricción estática, es más difícil empujar un objeto estacionario, pero es más fácil mantener un movimiento uniforme después de empujar. Sin embargo, cuando la velocidad relativa de deslizamiento es demasiado alta, la fricción por deslizamiento aumenta bruscamente. Podemos utilizar el método de la variable de control para verificar con precisión mediante experimentos que cuando el coeficiente de fricción cinética es constante, la fuerza de fricción deslizante es proporcional a la presión positiva n en la superficie de contacto. Sin embargo, dado que el coeficiente de fricción cinética es difícil de controlar, la conclusión de que la fricción por deslizamiento es proporcional al coeficiente de fricción cinética sólo puede verificarse de manera aproximada cuando la presión positiva permanece sin cambios. De esto podemos obtener la fórmula: fk = μ n, donde μ se llama coeficiente de fricción por deslizamiento, que depende del material de la superficie de contacto, el estado de la superficie de contacto y la velocidad de deslizamiento relativa (como se muestra en la figura ).
En algunos casos especiales (por ejemplo, la dureza del material permanece sin cambios, la superficie de contacto está procesada, etc.).
Comparó la fricción de materiales con diferente suavidad y propuso que la fricción entre objetos depende de la rugosidad de la superficie. Cuanto más rugosa es la superficie, mayor es la fricción, es decir, la rugosidad de la superficie sólida es la causa fundamental de la fricción. Esta idea se convirtió gradualmente en una teoría: la teoría cóncava-convexa. Según esta teoría, no importa qué tipo de tratamiento se realice en la superficie del objeto, inevitablemente quedarán protuberancias grandes o pequeñas. Cuando objetos con superficies irregulares entran en contacto entre sí, inevitablemente se produce fricción. Alguien ha hecho esta analogía: el contacto entre superficies sólidas es como darle la vuelta a una montaña y cubrirla encima de otra. Debido a que se entrelazan entre sí, sólo pueden deslizarse si se destruyen las partes que sobresalen. Este es el principio básico para generar fricción que dificulta el movimiento relativo. Esta teoría ha sido apoyada durante mucho tiempo por muchas personas.
Otra visión de la fricción es la teoría molecular. Así lo propuso el físico británico de Sagullier. Creía que la causa de la fricción eran las fuerzas moleculares escalonadas sobre la superficie de fricción. Esta teoría señala que cuanto más lisa es la superficie de un objeto, cuanto más cercana es la distancia entre las superficies de fricción, mayor es la fuerza molecular superficial y, por tanto, mayor es la fuerza de fricción. Sin embargo, esta teoría no ha sido confirmada mediante experimentos debido a la tecnología de procesamiento, por lo que a los estudiantes les resulta difícil aceptarla.
Tras entrar en el siglo XX, la teoría molecular fue ganando gradualmente el apoyo de mucha gente. Un hombre llamado Ewing señaló por primera vez que la pérdida de energía causada por la fricción es causada por la interferencia mutua del campo de gravedad molecular en la superficie sólida y no tiene nada que ver con el grado de concavidad. Otro científico famoso, Hardy, realizó una gran cantidad de experimentos para demostrar la exactitud de la teoría molecular. Primero pulió las superficies de los dos objetos hasta dejarlas extremadamente suaves y luego realizó un experimento de fricción. Se ha descubierto que cuanto más lisos se muelen dos objetos, menor es la fricción entre ellos, pero cuando la suavidad alcanza un cierto nivel, la fricción aumenta e incluso dos superficies metálicas lisas pueden "pegarse". Esto simplemente confirma el punto de vista de la teoría molecular: cuando las moléculas de dos superficies entran en el círculo gravitacional intermolecular de la otra, habrá una fuerte adhesión entre ellas, y esta adhesión se expresará en forma de fricción. Los experimentos de Hardy proporcionaron pruebas sólidas de la teoría molecular, que fue ampliamente reconocida y desarrollada hasta convertirse en la "teoría del enlace". Sin embargo, la teoría cóncavo-convexa no se ha abandonado por completo debido al avance de la teoría molecular y la teoría de la adhesión. Está bien fundamentada y es razonable con la teoría molecular y la teoría de la adhesión opuestas. Sobre la base de estas dos teorías, alguien propuso una teoría de enlace moderna e integral que incluía la teoría cóncavo-convexa.
(1) Teoría del mallado cóncavo-convexo
Del siglo XV al XVIII, los científicos propusieron una teoría sobre la naturaleza de la fricción. La teoría del mallado afirma que la fricción es causada por las superficies rugosas de los objetos en contacto entre sí. Cuando dos objetos entran en contacto y se aprietan, muchas partes cóncavas y convexas de la superficie de contacto se entrelazan entre sí. Si un objeto se desliza a lo largo de la superficie de contacto, las partes convexas de las dos superficies de contacto chocan, provocando roturas y desgaste, formando un obstáculo al movimiento.
(2) Teoría de la adhesión
Esta es una teoría sobre la naturaleza de la fricción después de la teoría del mallado cóncavo-convexo. Fue propuesto por primera vez por la erudita británica Dessa Zoellick en 1734. Sugirió que el aumento de la fricción entre dos metales con superficies pulidas podría explicarse por el aumento de la atracción de las moléculas de dos objetos cuando sus superficies están en pleno contacto.
Desde el siglo pasado, con el desarrollo de la industria y la tecnología, la investigación sobre la teoría de la fricción se ha profundizado aún más. A mediados del siglo pasado nació una nueva teoría de la fricción y la adhesión.
Según la nueva teoría de la fricción y la adhesión, por muy lisas y rugosas que sean las dos superficies, hay muchas protuberancias diminutas. Cuando estas dos superficies se juntan, las partes superiores de las protuberancias se tocan y hay un espacio de 10 a 8 mo más entre las superficies de contacto distintas de las protuberancias. De esta manera, las partes superiores de las microprotuberancias en contacto soportan la presión normal sobre la superficie de contacto. Si esta presión es muy pequeña, la parte superior del microprotuberancia se deformará elásticamente si la presión normal es grande, superando un cierto valor (alrededor de unas pocas milésimas de Newton en cada protuberancia), superando el límite elástico del material. la parte superior de la microprotuberancia se producirá una deformación plástica y quedará presionada para formar una parte superior plana. En este momento, la distancia entre dos objetos en contacto entre sí se reducirá hasta el rango donde actúa la gravedad molecular (atómica), por lo que se producirá una adhesión atómica en las dos superficies de contacto que están fuertemente presionadas entre sí.
En este momento, para que dos superficies en contacto entre sí se deslicen entre sí, se debe aplicar una fuerza tangencial a una de ellas para vencer la atracción entre moléculas (átomos) y cortar el contacto generado en el contacto real. área, generando así fricción. En la teoría moderna de la fricción, también se añade la interacción electrostática. Las superficies lisas pueden transportar diferentes cargas durante la fricción y las interacciones electrostáticas entre ellas también son una causa de fricción.
En resumen, el mecanismo del fenómeno de fricción es complejo y sólo puede explicarse a escala molecular. Debido a la naturaleza electromagnética de las fuerzas moleculares, la fricción es causada en última instancia por interacciones electromagnéticas.
La teoría anterior ha desmentido la afirmación de que "cuanto más lisa es la superficie de un objeto, menor es la fuerza de fricción". La fricción existe entre superficies muy lisas. En la enseñanza se utiliza a menudo "superficie lisa", lo que significa que no hay fricción o que el coeficiente de fricción es cero, es decir, no hay fricción. Esta es una convención pedagógica, pero en realidad no significa que ambas caras sean suaves. Es fácil empujar un bloque de madera sobre una placa de vidrio, pero no es fácil empujar un vaso de la misma masa que el bloque de madera sobre una placa de vidrio, lo que indica que la fuerza de fricción aumenta.