Fricción: fuerza de rozamiento y coeficiente de fricción

Si dejas de pedalear, la bicicleta termina deteniéndose. No contradice la ley de la inercia: hay una fuerza que la frena, la fricción. Sin ella no podríamos caminar, frenar un auto ni sostener un lápiz, pero también es responsable del desgaste de las máquinas y de que parte de la energía se pierda como calor.

¿Qué es la fricción?

Es la fuerza que aparece entre dos superficies en contacto y se opone al movimiento (o a la tendencia al movimiento) de una respecto a la otra. Se debe a las irregularidades microscópicas de las superficies y a las atracciones entre sus moléculas.

La fuerza normal

La fricción depende de qué tan fuerte se presionan las superficies, medido por la fuerza normal $N$ (la fuerza perpendicular que ejerce la superficie). En una superficie horizontal sin otras fuerzas verticales:

$$N = m\,g$$

Fricción estática y cinética

• $\mu_s$ y $\mu_k$ son los coeficientes de fricción estático y cinético. No tienen unidades y dependen de los materiales.
• Casi siempre $\mu_s > \mu_k$: cuesta más empezar a mover un mueble que mantenerlo en movimiento.
• La fricción no depende del área de contacto ni (aproximadamente) de la velocidad.

(Valores aproximados).

Ejemplos resueltos

1. Una caja de 20 kg está sobre el piso, con $\mu_s = 0.5$ y $\mu_k = 0.3$.

• Fuerza mínima para empezar a moverla: $f_s = 0.5(20)(9.8) = 98$ N.
• Fricción una vez que se desliza: $f_k = 0.3(196) = 58.8$ N.

2. Si se empuja la caja con 100 N, ¿cuál es su aceleración? Como $100 > 98$, la caja se mueve:

$$a = \frac{F - f_k}{m} = \frac{100 - 58.8}{20} \approx 2.06\ \text{m/s}^2$$

3. ¿Qué fuerza se necesita para moverla a velocidad constante? Aceleración cero significa fuerza neta cero: $F = f_k = 58.8$ N.

Plano inclinado

En un plano inclinado un ángulo $\theta$, el peso se descompone en dos partes:

• Paralela al plano: $mg\sin\theta$ (tiende a hacer bajar el cuerpo).
• Perpendicular al plano: $mg\cos\theta$, que es igual a la normal: $N = mg\cos\theta$.

El bloque desliza si $\tan\theta > \mu_s$, y entonces su aceleración es:

$$a = g(\sin\theta - \mu_k\cos\theta)$$

Ejemplo: en una rampa de 30° con $\mu_k = 0.2$:

$$a = 9.8(0.5 - 0.2\times 0.866) = 9.8(0.327) \approx 3.2\ \text{m/s}^2$$

Trabajo de la fricción

La fricción realiza trabajo negativo y transforma energía mecánica en calor: $W_f = -f_k\,d$. Por eso las manos se calientan al frotarlas.

Comprueba lo aprendido

1. ¿Qué fricción cinética actúa sobre un bloque de 10 kg con $\mu_k = 0.25$ en un piso horizontal?Ver respuestaOcultar respuesta

$f_k = 0.25(10)(9.8) = 24.5$ N.

2. ¿Por qué cuesta más empezar a mover un mueble que mantenerlo en movimiento?Ver respuestaOcultar respuesta

Porque el coeficiente de fricción estático es mayor que el cinético.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios resueltos de trabajo, energía y choques

Referencias

• Tippens, P. E. (2011). Física: conceptos y aplicaciones (7.ª ed.). McGraw-Hill.
• Serway, R. A. y Jewett, J. W. (2018). Física para ciencias e ingeniería (10.ª ed.). Cengage Learning.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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