Rozamiento
03 dic, 2011
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PDFEmpezando a deslizar
PRESENTACIÓN: Un bloque se sitúa en un plano inclinado ajustable que puede ser subido hasta que el bloque empieza a deslizar con aceleración. La tangente del ángulo cuando comienza el deslizamiento se corresponde con el coeficiente de rozamiento estático. Ese ángulo define la transición entre el rozamiento estático y dinámico.
- Pulling the rug from under round objects, Joe L. Ferguson, Phys. Teach. 39, 224 (2001)
- Modifying the inclined-plane experiment, D. D. Venable, A. P. Batra, and T. Hubsch, Phys. Teach. 39, 215 (2001)
- The best angle for dragging a box, Willem H. van den Berg, Phys. Teach. 38, 506 (2000)
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El cálculo del rozamiento estático en este experimento se calcula de igual manera que en el siguiente enlace de vídeo de YouTube. En este otro vídeo se calcula el coeficiente cinético de rozamiento, el cual se presente cuando el cuerpo ha comenzado a deslizarse, a diferencia del estático.
Con respecto á forza de rozamento que estamos traballando neste apartado, veremos agora un vídeo que, de xeito moi sinxelo (só son precisos 2 libros) entenderanse estes conceptos. A forza de rozamento ou forza de fricción, é a forza entre dúas superficies en contacto, aquela que se opón ao movemento relativo entre ambas superficies de contacto (forza de fricción dinámica) ou a que se opón ao inicio do deslizamento (forza de fricción estática). No vídeo observaremos como a segunda é tan elevada que non permite que se separen os libros que están entrelazados.
No seguinte enlace explícase de forma sinxela e clara o concepto de forza de rozamento nun fluído.
No vídeo proposto neste caso, con simplemente 3 vasos cheos de sal e unha culler de madeira obsérvase de forma sinxela o efecto que produce a forza de rozamento. Cando esta é elevada impide a extracción da culler dende o vaso con sal, porén, cando a forza non actúa sobre os corpos, a extracción é mais doada.
En este enlace se puede ver la explicación bastante sencilla y visual del rozamiento, a partir del minuto 07:00 comienza el plano inclinado.
En este otro vídeo se trata también el tema del rozamiento enfocándolo desde las ideas previas.
Un experimento muy sencillo de hacer y bastante visual sería el de colocar en un vaso una cuchara de palo y a esta añadirle sal fina. Si se añade la sal y acto seguido se extrae la cuchara saldrá sin problemas.
Si se repite el experimento, pero esta vez se le da unos golpecitos al vaso para que se cubran los huecos dejados por los granos de sal y que actúe la fuerza de rozamiento al extraer la cuchara se levantará el vaso y esta no saldrá debido a la fuerza de rozamiento.
Los neumáticos de los coches son un ejemplo de la vida cotidiana que nos puede servir para hablar sobre rozamiento. Si en un día lluvioso se forma una película de agua entre la rueda del coche y el suelo, el coeficiente de rozamiento entre la rueda y el suelo disminuye, lo que hace más difícil que el coche frene. De ahí los surcos que presentan los neumáticos de lluvia y de ahí la importancia de que no se desgasten mucho, ya que son el sistema que permite evacuar agua de la zona de contacto entre el neumático y el suelo, aumentando por tanto el coeficiente de rozamiento y haciendo el frenado del coche mucho más eficiente. El siguiente vídeo ilustra y explica cómo los surcos de los neumáticos son capaces de evacuar una gran cantidad de agua.
Este vídeo explica de xeito rápido e ameno os fundamentos teóricos do coeficiente de rozamento. Explica as diferencias entre coeficiente de rozamento estático e coeficiente de rozamento dinámico.
La fuerza de rozamiento, es la fuerza entre dos superficies en contacto.La que se opone al movimiento relativo entre ambas superficies de contacto se llama fuerza de fricción dinámica, mientras que la que se opone al inicio del rozamiento, se llama fuerza de fricción estática.
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En mi opinión este vídeo es muy visual para comprender los fundamentos teóricos del rozamiento.
Al apagar un ventilador o dejar de empujar una hamaca, entre otros ejemplos notamos que el cuerpo en movimiento se detiene. En los ejemplos mencionados anteriormente la causa de la disminución de la velocidad es la acción de la fuerza de rozamiento, a la que también se le conoce como fuerza de fricción.
Las leyes elementales sobre la fricción fueron postuladas en 1699 por el francés Amontons, aunque originalmente ya habían sido descibiertas por Leonardo da Vinci dos siglos atrás. El rozamiento es un fenómeno que observamos todos los días y con aplicaciones el múltiples campos; en la ingeniería se trabaja constantemente con los coeficientes de rozamiento estáticos (que ilustran la fuerza que se opone al inicio del movimiento) y dinámicos (la fuerza que se opone en el caso de un cuerpo en movimiento), los cuales se establecen según dos materiales en concreto. Estos valores son conocidos para la mayoría de los materiales. En este vídeo puede verse una clase práctica en la que se explica este concepto a un grupo de alumnos muy pequeños, de una manera muy directa y divertida.
Es un método muy visual para calcular el coeficiente de rozamiento estático. En este vídeo se muestra de una forma clara y práctica cómo unos alumnos hacen diferentes mediciones del ángulo, en el momento que empieza a darse el deslizamiento. Para cada medición emplean diferentes superficies y también cambian el material que recubre la superficie del objeto, a pesar de tener la misma masa, para así ver cómo la textura de la superficie y la del objeto influyen en el rozamiento.
Con un coeficiente de rozamiento de entre un 5% y un 20% respecto al acero pulido, el DLC (diamond-like carbon) o Carbono tipo Diamante es quizá el material que presenta menor fricción de todos. En la industria automovilística, se emplea frecuentemente. Como podéis ver en este enlace.
O estudo das forzas de rozamento, a un nivel inicial, é decir, sen preocupación pola determinación de coeficientes que requiran de experiencia ben calibradas, pódese comenzar pola caracteristica máis evidente : é o frotamento entre superficies o que as provoca e define a súa natureza electro-magnética. Neste senso a visualización do video e a posterior construcción de aparatos que sigan o modelo, facilita o entendemento e prepara ao alumnado para o seguinte paso: a determinación experimental dos coeficientes de rozamento.
Este vídeo es una aportación más que contribuye a facilitar al alumno la comprensión del coeficiente estático y dinámico.
Un feito e concepto moi ben traballado nestes videos, con ideas moi útiles para levar a cabo no ensino secundario.
Distintas ideas para que el alumno pueda comprender el concepto de rozamiento. Muy interesante.
El video de los libros viene muy bien para asentar conceptos sobre el rozamiento en los alumnos de secundaria
Como profesor me gustaría meterme en el cerebro de un adolescente de 15 años. Los siguientes comentarios los realizaré pensando como dicho adolescente. Un chico puede comprobar con cierta facilidad que en el mundo nos rodean distintas fuerzas y que éstas producen movimientos o equilibrios. Hay fuerzas que aunque no sean visibles, si son relativamente fáciles de comprender: La fuerza de la gravedad se comprueba dejando caer un objeto desde una altura, la fuerza elástica parece obvia, la electromagnética se podría intuir, una fuerza ejercida sobre un cuerpo se observa. Todas estas fuerzas parecen producidas por «algo real que ya existe». El magnetismo de la tierra produce su fuerza correspondiente, la elástica parece contenida en el muelle, la electromágnetica surge del magnetismo y del movimiento de electrones, la primera ley de Ley de Newton parece tener un origen claro. Es más complicado entender que si se empuja una pared, ésta empujará con la misma fuerza (cómo si la pared tuviera vida!!). Pero si existe una fuerza realmente «extraña» y difícil de explicar es la fuerza de rozamiento: Es aquella fuerza que existe entre dos superficies en contacto y que se opone al movimiento de una sobre la otra. Es decir que es una fuerza que aparece solo y cuando deseamos aplicar una fuerza sobre un objeto en contacto con otro. Se podría entender con alguna lógica la existencia de una resistencia dinámica (aquella que nos acaba frenando).
Pero, ¿que ocurre con la fuerza estática? ¿Es fácil explicar la existencia de una fuerza que proviene de la rugosidad de las superficies y que ésta siempre será igual a la fuerza aplicada (similar a las fuerzas de acción-reacción)? Si no se desea empujar un objeto que se encuentra sobre el suelo, el objeto no ejercerá ninguna fuerza. Pero si se comienza a empujar, éste responderá con la misma fuerza pero de sentido contrario. Si aumentamos la fuerza, el objeto aumentará dicha fuerza (como si tuviera vida). Las fuerzas irán aumentando hasta que el objeto se ponga en movimiento. ¿Cómo entiende un niño de 15 años la existencia de una fuerza que existe dentro de todos los cuerpos, pero que solo se manifiesta en el momento que se le aplica otra fuerza sobre dicho cuerpo, y lo hace siempre en la misma dirección, sentido contrario y con el mismo valor? ¿Que experimento se podría realizar para aclarar este concepto de una forma realmente clarificadora y visual? Nuestro adoslescente de 15 años pensará sabiamente:
¿Es posible que las leyes que se utilizan para explicar nuestro universo no puedan explicarlo todo y que se de por supuesto conceptos que no son nada claros y en el futuro quizás se clarifiquen?.
Neste vídeo dun rapaz noviño explícase moi ben e sinxelamente por que é o rozamento o que condiciona a velocidade de caída dos corpos.
Llevándolo al terreno de la biología, el rozamiento es importante para algunas especies trepadoras, que no presentan sustancias adhesivas ni tampoco ventosas, como es el caso de los geckos arborícolas. Como sabemos, las superficies rugosas producen mayor rozamiento y esto es lo que algunas especies de geckos llevan al extremo, pues presentan unas almohadillas pilosas en las plantas de los pies, cuyas terminaciones tienen 0’2 micrómetros de espesor. De esta manera son capaces de adherirse a rugosidades ínfimas como las de un vidrio, manteniéndose sobre él incluso en vertical.
En Galicia no son abundantes, pero en otros lugares de España hay bastantes y alguno a veces se cuela en una casa. En estos lugares presentarles el ejemplo al alumnado sería más sencillo, aquí probablemente habría que mostrárselo con un vídeo. Quizás uno como este podría resultar muy atractivo para los chavales, ya que explica científicamente porque Spiderman no podría trepar paredes. En la misma web resulta interesante no sólo el vídeo, también el texto que discute las distintas adaptaciones evolutivas para suplir los problemas que genera el tamaño corporal a la adhesión a superficies. Sin más preámbulos, este es el enlace.
Lo que me ha gustado de este proyecto ha sido que muestra en la práctica el típico problema de física sobre fuerzas de rozamiento. El mostrar de esta forma el problema clásico, el típico dibujo de un objeto sobre un plano inclinado, pero presentándolo con objetos reales. De esta forma atrae la atención y facilita la comprensión del problema, del concepto a estudiar y del método de calcular el rozamiento real de distintos objetos y superficies.
Siempre es interesante, además, transmitir la importancia del rozamiento en la vida cotidiana, y no simplemente como un concepto teórico. El rozamiento es esencial en las pastillas de freno, por ejemplo; para evitar resbalones, se fabrican zapatos con suelas “antideslizantes” cuya principal característica es modificar las condiciones de rozamiento entre el calzado y la superficie; o simplemente entender que es el motivo por el cual al lanzar un objeto finalmente se detiene, porque el rozamiento le resta energía cinética.
Llevando esta actividad al aula es una forma fácil de que el alumnado ponga en práctica
Típico ejercicio de cálculo de fuerzas de rozamiento sobre un plano inclinado de 4º de la ESO. Sin embargo, el llevar esta actividad al aula, ayuda al alumnado a interiorizar los conceptos, ya que podrá poner en práctica los cálculos realizados sobre papel. Otra actividad muy sencilla y visual, además de motivadora, podría ser construir “pistas” para carreras de coches con diferentes ángulos y superficies, como vemos en el siguiente blog.
El experimento, si se le puede llamar así, es una forma sumamente simple de mostrar en la práctica el rozamiento, de hecho puede hacerse con prácticamente cualquier objeto, no es necesario preparar absolutamente nada. Sin embargo, creo que podría sazonarse la práctica con un elemento motivador como son las aplicaciones móviles, ya que los alumnos tienden a pensar que “si se hace con el móvil no puede ser aburrido”, por lo que considero que debe aprovecharse este interés en los móviles por parte de los alumnos para hacer pedagogía. Para este experimento se me ocurre, que los alumnos pueden descargarse en sus móviles la App Dinámica del Plano Inclinado, es una calculadora con la que los estudiantes pueden “jugar” creando sus propios problemas de rozamiento, o corrigiendo los resultados de los problemas planteados por el profesor.
La grandeza de este experimento en su sencillez a la hora de reproducirlo en el aula y su aplicabilidad a muchas cuestiones que nos afectan diariamente. Se incluye por ejemplo en el currículum de física y química de 2º y 4º de la E.S.O. (Bloque 4, el movimiento y las fuerzas) o en 1º de Bachiller (Bloque 7, dinámica)
Añadiría un pequeño matiz, que sería mojar la superficie de contacto (la rampa), para simular el efecto de aquaplaning. En este caso una lámina de agua se interpone entre la rueda y el asfalto, disminuyendo la superficie de contacto, y dado que ésta no opone resistencia al giro de las ruedas o al propio movimiento del vehículo (lo mismo que ocurre si pisamos de forma inconsciente un patín), es la causa responsable de un gran número de accidentes y víctimas mortales en la carretera. No es que el agua no genere fricción (de hecho, las lanchas o los veleros de las regatas más veloces intentan tener la menor superficie de contacto posible con el agua), si no que la película de agua sobre el pavimento supone una superficie de contacto con muy poca coeficiente de rozamiento. Es por ello, que los fabricantes de neumáticos diseñan formas especiales de ruedas con canales para evacuar el agua, con una buena pero limitada efectividad
Con este ejemplo, además de ahondar un poco más en las leyes de la dinámica y las fuerzas que la componen a través de un tema que está de moda y que los alumnos escuchan ocasionalmente en los telediarios y otros medios de comunicación, trabajaremos la educación social y la concienciación al volante, y quién sabe si estaremos contribuyendo a en el futuro salvar vidas
En este vídeo se explica cómo realizar un experimento sobre aquaplanning, una rampa y un coche teledirigido.
Me sorprende mucho que en mi etapa de estudiante nunca me enseñaran el concepto de fuerza de rozamiento de una forma tan visual y práctica en lugar de limitarse a aportar la información de manera teórica y mediante la realización de ejercicios habiendo tal cantidad de ejemplos fáciles para ello. Para mostrar un ejemplo algo distinto de los que se muestran aquí, encontré este vídeo en el que se explica lo mismo mediante la realización de un aerodeslizador con un cd, la parte superior de una botella de plástico, un trozo de cartón y un globo.
Este experimento permite a los alumnos de secundaria conocer de un modo más visual y sencillo determinados conceptos de Física como el conocimiento de la fuerza de rozamiento sobre un plano inclinado. Pero además es posible jugar con otros parámetros como la fricción. Para ello, una alternativa al presente ensayo sería colocar un vaso boca abajo sobre una rampa plana con una pequeña inclinación. En ese momento no se observa movimiento. A continuación, si se moja el vaso en agua fría se observa que tampoco tiene movimiento pero si se moja el vaso en agua caliente sí comienza a deslizarse por la rampa. Esto sería debido a que el aire atrapado en el vaso se calienta, se expande y levanta ligeramente el vaso. Al reducir el contacto y la fricción, el vaso se desliza sobre la superficie inclinada.
No seguinte vídeo, uns rapaces diminúen o rozamento da superficie do plano inclinado empregando xabón para que os participantes poidan deslizarse por el aínda que o ángulo do plano sexa pequeno. Este é un xeito divertido de explicar un principio físico, iso si, na aula mellor empregar obxectos que poidamos “tirar” polo plano inclinado e que non sexan os propios alumnos os que comproben o efecto do rozamento sobre eles mesmos.
En relación a esta práctica me parece interesante tener en consideración la superficie del cuerpo que se desliza por la rampa. En realidad no afecta al deslizamiento, pero a priori a nuestros alumnos les puede parecer que si. Las superficies a nivel microscópico no son planas, sino que tienen rugosidades con estructuras similares a picos. Si ponemos una pequeña superficie sobre el plano inclinado, el número de picos en contacto será pequeño, pero él área de contacto de cada pico será grande, sin embargo si la superficie de contacto entre el objeto que desliza y el plano inclinado es grande, el número de picos en contacto será grande pero la superficie de contacto de cada uno será pequeño, puesto que la presión que ejerce estará muy repartida. Esto es lo que explica que la superficie de contacto en el deslizamiento por un plano inclinado no afecta, algo que a priori se podría pensar que sí.
Vivimos rodeados de planos inclinados, fuerzas de rozamiento….sin embargo en mi etapa como estudiante de secundaria me costó llegar a visualizar y entender todo esto. Sin embargo, de una forma tan sencilla se puede entender mejor todas esas fórmulas que nos ponían en la pizarra. Incluso, se podría hacer grupos y dar a casa uno un plano inclinado con diferente inclinación, diferente material e incluso diferente objeto a «tirar» por dicho plano y que ellos tuvieran que buscar una explicación a lo que ocurre e incluso calcular el ángulo de inclinación, la fuerza de rozamiento….
Un compañero ha comentado con respecto al concepto del rozamiento que sería interesante considerar el fenómeno del aquaplanning. Pienso que esta divergencia no se debería limitar exclusivamente a esta situación. El concepto de rozamiento es muy útil para introducir en la asignatura de física el elemento transversal de educación vial de forma general, con algunos ejemplos publicados en revistas científicas de educación, por ejemplo:
Vila, J., Sierra, C.J. (2009). Un experimento de física útil para la educación vial. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, 6, 140-145.
El rozamiento es muy importante en la práctica del esquí. En el siguiente enlace a un blog sobre esquí, explican de forma coloquial como el control de la fricción puede ayudar a la hora de la práctica de este deporte.
En este caso me gustaría comentar el comentario realizado por Pablo el 15 de enero de 2017. En él menciona que los geckos utilizan sus almohadillas como superficies rugosas que producen mayor rozamiento, lo que les permite adherirse a superficies tales como vidrio en posición vertical. En realidad, los geckos tienen miles de pelos microscópicos en sus almohadillas que provocan que se generen entre ellas y la superficie de contacto fuerzas débiles intermoleculares, las fuerzas de Van der Waals, que mantienen átomos unidos. De esta manera es cómo los geckos pueden escalar superficies lisas como el vidrio con total facilidad. En el siguiente vídeo se muestra cómo funciona este mecanismo. Para complementar, también se puede visualizar un vídeo más didáctico de TED-Ed.
Como comentó Miguel, en torno a 1492 el gran genio Leonardo da Vinci descubrió las primeras reglas elementales del rozamiento en un plano inclinado, pero permaneció inédito en sus cuadernos. Fueron redescubiertas por Guillaume Amontons (1699) quien estableció las leyes que rigen las fuerzas de rozamiento y fueron desarrolladas por Charles-Augustin de Coulomb (1781) que comprobó estas leyes y estableció la diferencia entre un rozamiento estático y uno cinético. Leonhard Euler (1750) demostró que la tangente del ángulo de reposo en un plano inclinado es igual al coeficiente de fricción. Es importante cuando se imparten conceptos físicos, además de las imprescindibles demostraciones prácticas, realizar un repaso por su historia y por la aplicación actual de estos conceptos. Como aplicación innovadora de los estudios de rozamiento, Hamid Marvi et al. (2014), del Georgia Institute of Technology, estudiaron el movimiento de las serpientes para el diseño de robots capaces de trepar y aferrarse a las superficies. En el siguiente enlace se presenta un vídeo sobre su investigación.
Marvi, H., Gong, C., Gravish, N., Astley, H., Travers, M., Hatton, R. L., … & Goldman, D. I. (2014). Sidewinding with minimal slip: Snake and robot ascent of sandy slopes. Science, 346(6206), 224-229.
Vídeos y explicaciones muy útiles para la introducción el concepto de Fuerza de Rozamiento. Como mencionaban en comentarios anteriores podríamos dar algunos ejemplos más prácticos como el esquí. También, para una vez hayamos explicado el tema y la teoría completamente, tendríamos como opción dar a los alumnos algo de material para revisar su nivel práctico. En el vídeo siguiente encontramos un par de ejemplos y su resolución.
Gracias a esta web divulgativa he llegado a este vídeo en donde se explican muy bien y de manera muy ilustrativa qué es la fuerza de rozamiento, acompañado de un vistoso experimento que ayuda a entender cómo funciona la fuerza de fricción, fenómeno que también está íntimamente ligado con la fuerza de rozamiento por deslizamiento.
Si queremos ilustrar de forma divertida la fuerza de rozamiento debemos construir en verano un tobogán pendiente abajo. Este funciona cuando la superficie húmeda permite deslizar el flotador, aquí la fuerza de rozamiento es casi nula. Dejo por aquí un ejemplo de como pasarlo bien un día caluroso.
En la Mecánica de Rocas el ángulo de fricción es un parámetro muy importante. Sin embargo, fue recientemente cuando se aprobó un método sugerido para la obtención de este parámetro. Este método fue desarrollado por el Laboratorio de Mecánica de Rocas de la Escuela de Minas y Energía de la Universidad de Vigo, en colaboración con universidades internacionales.
Experimento interesante que ayuda a comprender el concepto de rozamiento. Es un método muy visual que permite el cálculo del coeficiente de rozamiento estático en el aula con un material muy sencillo. La fuerza de rozamiento es una fuerza que aparece en el mismo instante en que hay dos cuerpos en contacto. El rozamiento entre dos superficies en contacto ha sido utilizada por nuestros antepasados más remotos para hacer fuego frotando maderas. En la actualidad, tiene una gran importancia económica, ya que se estima que si se le prestase mayor atención se podría ahorrar muchísima energía y recursos económicos. El siguiente vídeo muestra mediante gráficas y de forma creativa qué es la fuerza de fricción.