Fuerzas de Fricción

Introducción

Una fuerza de fricción es cualquier fuerza que se opone al movimiento de un objeto debido al contacto de ese objeto con otros cuerpos.
Veamos los siguientes experimentos.

1) Empuja una caja vacía sobre un suelo liso y luego suéltala. Se moverá 1 o 2 metros y luego se detendrá. La fuerza que detiene la caja se llama fuerza de fricción. Es una fuerza que se opone a cualquier movimiento.

2) Coloca algunos libros (o cualquier objeto con cierto peso) dentro de la caja y empújala nuevamente, luego suéltala. La caja se moverá una distancia menor que cuando estaba vacía. La fuerza de fricción ha actuado nuevamente para detener la caja. Esta vez, la fuerza de fricción es mayor porque es proporcional a la fuerza normal ejercida por el suelo sobre la caja, que a su vez es igual al peso de la caja.

3) Intenta empujar una cama grande, por ejemplo, y no se mueve. En este caso, la fuerza de fricción es mucho mayor que la fuerza usada para empujar la cama y, por lo tanto, hablamos aquí de la fuerza de fricción estática ejercida por el suelo sobre la cama.
Dependiendo de si el objeto está en movimiento o estático, son posibles dos tipos de fuerzas de fricción: la fuerza de fricción cinética y la fuerza de fricción estática.

Fuerza de Fricción Cinética

La fuerza aplicada a la caja es suficiente para moverla. En este caso, la fuerza aplicada es mayor que la fuerza de fricción y el objeto se mueve. La fuerza de fricción que actúa sobre un objeto en movimiento para ralentizarlo se llama fuerza de fricción cinética y está dada por la fórmula
        F = μk N,
donde μk es el coeficiente de fricción cinética y N es la fuerza normal a la superficie que actúa sobre la caja.

Ejemplo 1


a) Dibuja un diagrama de cuerpo libre de una caja de masa M Kg reposando en el suelo y dibuja y etiqueta todas las fuerzas que actúan sobre ella.
b) Ahora se aplica una fuerza Fa horizontal al suelo para empujar la caja de derecha a izquierda. La fuerza Fa es mayor que la fuerza de fricción. El suelo tiene un coeficiente de fricción cinética μk.
Dibuja un diagrama de cuerpo libre y etiqueta todas las fuerzas que actúan sobre la caja. Solución

a
En el diagrama a continuación hemos dibujado todas las fuerzas ejercidas sobre la caja y las hemos etiquetado.

Fuerzas sobre una caja en reposo sobre el suelo

El rectángulo rojo representa la caja
W = peso de la caja
N es la normal ejercida por el suelo sobre la caja, de lo contrario, la caja atravesaría el suelo.
b
Ahora presentamos un diagrama con la fuerza aplicada para empujar la caja y la fuerza de fricción cinética que se opone al movimiento de la caja.

Caja en el suelo con fuerza aplicada y fuerza de fricción cinética

W y N son el peso y la fuerza normal, respectivamente (explicadas arriba).
Fa es la fuerza aplicada para empujar la caja.
Fk es la fuerza de fricción ejercida por el suelo sobre la caja en dirección opuesta al movimiento y está dada por
        Fk = μk N.

Fuerza de Fricción Estática

Se aplica una pequeña fuerza Fa para tirar de una caja, pero esta fuerza no es suficiente para mover la caja. La fuerza de fricción existe y actúa en sentido opuesto a Fa y la caja no se mueve. Como la caja no se mueve, la fuerza de fricción en este caso se llama Fuerza de Fricción Estática y está dada por
        F = μs N
donde μs es el coeficiente de fricción estática y N es la fuerza normal a la superficie que actúa sobre la caja.

Ejemplo 2


Ahora se aplica una fuerza Fa horizontal al suelo para tirar de la caja de izquierda a derecha. La fuerza Fa es menor que la fuerza de fricción. El suelo tiene un coeficiente de fricción estática μs.
Dibuja un diagrama y etiqueta todas las fuerzas que actúan sobre la caja.
Solución Caja en el suelo con fuerza aplicada y fuerza de fricción estática

W el peso de la caja
N la fuerza normal ejercida por el suelo sobre la caja.
Fa la fuerza aplicada para tirar de la caja.
        Fs = μs N ; fuerza de fricción estática ejercida por el suelo sobre la caja en la dirección opuesta a Fa.