Cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética (actualizado en 2023)

Una cantidad física adimensional que especifica la interacción de dos objetos se llama coeficientes.

El coeficiente de valor de friccion kinetica Son cambios en función de la naturaleza del material utilizado. Generalmente, los coeficientes dan la razón de dos cantidades involucradas en la acción. En esta publicación, analicemos cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética y sus consecuencias.

Cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética

Consideremos dos superficies, de manera que una superficie se mueva en contacto con otra. los fricción Siempre resiste el movimiento y finalmente detiene el movimiento de la superficie en la dirección opuesta al movimiento.

Una fórmula general para encontrar el coeficiente de fricción viene dada por la relación entre la fuerza de fricción y la reacción normal que actúa sobre las superficies en una dirección perpendicular.

foto 138 — Créditos de imagen: Imagen de Pexels en Pixabay

cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética — **Diagrama de cuerpo libre de la fuerza de fricción cinética**

Al reorganizar la expresión anterior, también podemos encontrar la fricción cinética.

Cómo calcular la incertidumbre del coeficiente de fricción cinética

La incertidumbre se produce debido a la desalineación de los ejes de coordenadas a lo largo de la dirección del movimiento. Junto con fuerza normal, la fuerza tangencial actúa sobre el sistema. Esta fuerza tangencial explica la aparición de incertidumbre del coeficiente de fricción cinética.

El valor del coeficiente no se mide directamente a través del experimento. Se determina calculando todas las fuerzas que actúan sobre el sistema y el ángulo de inclinación del objeto con la superficie.

La expresión general para el coeficiente de friccion kinetica es dado por

Consideremos el deslizamiento de un objeto en un plano. El deslizamiento del objeto se toma para los diversos ángulos del objeto a lo largo del plano para diferentes instancias. Luego calcule el coeficiente de fricción cinética para todos los ángulos.

La declaración anterior dice que el valor del coeficiente de fricción cinética cambia con el cambio en el ángulo. Esta desviación se debe a la incertidumbre del coeficiente de fricción cinética. Estudiemos cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética con incertidumbre.

Junto con la fuerza normal F_N, la fuerza tangencial también contribuye a la evolución de la fuerza de fricción. Esto conduce a un error al calcular el coeficiente de fricción cinética. La medición de la incertidumbre compensa el error que se produjo durante el cálculo.

La fuerza normal actúa a lo largo del eje Y y el ángulo de desalineación es β. Y la fuerza tangencial actúa a lo largo del eje X con el ángulo desalineado de α. Estos normales y fuerzas tangenciales están en contacto, y la fuerza resultante a lo largo de los ejes X e Y viene dada por

F_X = F_F cosα + F_N pecadoα

F_X = m_K F_N cosα + F_N pecadoα

F_X= F_N (μ_K cosα + senα)

Similarmente para el eje Y

F_Y = F_N cosβ - F_F pecado β

F_Y = F_N (cosβ - µ_K sinβ) Al resolver las fuerzas resultantes, la incertidumbre en la fricción se da como

Para calcular la medición de la incertidumbre estándar combinada, la función de incertidumbre estándar debe ser un valor estándar de los valores de entrada y las derivadas parciales del coeficiente de fricción. La ley de "Propagación de la incertidumbre" nos ayuda a dar un valor estándar para la incertidumbre en la fricción. Está dado por la ecuación.

Donde, u es la incertidumbre del sistema dado.

Al diferenciar las variables individuales, obtenemos el valor estándar de incertidumbre en el coeficiente de fricción cinética.

Esto da el valor de incertidumbre estándar para las fuerzas de entrada que actúan sobre el sistema. Sustituyendo estos valores en la ecuación de derivada parcial, obtenemos el valor de incertidumbre.

Cómo calcular el coeficiente de fricción cinética sin masa

Para calcular el coeficiente de fricción cinética sin masa, consideremos un bloque que se mueve sobre una superficie plana. El bloque de masa "m" se mueve con aceleración "a" en la dirección de la fuerza aplicada. La fuerza normal que actúa entre el bloque y la superficie es F_Nque es perpendicular al movimiento del bloque. Sabemos que el fuerza de fricción actuar entre el bloque y la superficie para retardar el movimiento viene dado por la ecuación,

F_K = m_K F_N

Según la segunda ley del movimiento de Newton, la fuerza que actúa sobre el cuerpo en movimiento es igual a la masa multiplicada por la aceleración.

F = m * a

La fuerza normal está influenciada por la fuerza de gravedad dada como

F_N= m * g

Sustituyendo en la ecuación de la fuerza de fricción, obtenemos

F_K = m_K m * g

Dado que el cuerpo se está moviendo y la fuerza que actúa sobre el bloque es la fuerza de fricción cinética, la ley de Newton se puede modificar como

Vea también ¿Es la electricidad estática una fuerza de contacto: cómo y por qué?

F_K = m * a

Al igualar las dos ecuaciones anteriores obtenemos,

µ_K m * g = m * a

µ_K g = a Reordenando la ecuación obtenemos,

Esto da el valor del coeficiente de fricción cinética.

Determinación del coeficiente de fricción cinética en un plano inclinado

Fricción cinética en un plano inclinado

Fuerzas que actúan sobre el objeto:

Fuerza gravitacional: $F_{gravedad} = m cdot g$
Fuerza normal: $F_normal$
Fuerza de fricción: $F_ {fricción}$

Descomponiendo la fuerza gravitacional: La fuerza gravitacional se puede dividir en dos componentes:

Paralelo a la pendiente: $F_{gparalelo} = m cdot g cdot sin(theta)$
Perpendicular a la pendiente: $F_{gperp} = m cdot g cdot cos(theta)$

Fuerza de fricción: cuando un objeto se mueve a una velocidad constante en pendiente:

Como $F_{normal} = F_{gperp}$ y $F_{fricción} = F_{gparalelo}$ , obtenemos: $mu_k = tan(theta)$

Ejemplo:

Suponga que tiene un bloque en una pendiente de 30° y nota que comienza a deslizarse a una velocidad constante sin ningún empujón externo. Determine el coeficiente de fricción cinética.

Dado: $theta = 30^circ$

Encontrar: $mu_k$

Usando la fórmula: $mu_k = tan(theta)$

Introduciendo el valor dado: $mu_k = bronceado(30^circ)$ $mu_k aproximadamente 0.577$

Por tanto, el coeficiente de fricción cinética entre el bloque y el plano inclinado es aproximadamente 0.577.

Cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética con aceleración

Fricción cinética con aceleración

Cuando un objeto se desliza sobre una superficie, experimenta una fuerza de resistencia debido a la superficie. Esta fuerza resistiva se llama fricción cinética. La magnitud de la fuerza de fricción cinética ( $F k$ ) es dado por:

$F_{k} = mu_{k} veces N$

Lugar:

$mu_ {k}$ es el coeficiente de fricción cinética.
$N$ es la fuerza normal (o la fuerza que actúa perpendicular a la superficie). En muchos casos, esto equivale al peso del objeto si la superficie es horizontal.

Si un objeto se mueve sobre una superficie horizontal y no actúan otras fuerzas horizontales sobre él, entonces la fuerza neta ( $F_ {neto}$ ) que actúa sobre el objeto debido a la fricción es:

$F_ {net} = F_ {k}$

Usando la segunda ley de Newton ( $F_ {net} = m veces a$ ), dónde $m$ es la masa del objeto y $a$ es su aceleración, podemos equiparar las ecuaciones anteriores para encontrar:

$m por a = mu_ {k} por N$

Para resolver por $mu_ {k}$ , puedes reorganizar esta ecuación:

$mu_{k} = frac{m veces a}{N}$

Ejemplo:

Supongamos que tenemos un bloque de 10 kg de masa que se desliza sobre una superficie horizontal. El bloque tiene una aceleración de 2 m/s² en la dirección del movimiento. Dado que la aceleración gravitacional ( $g$ ) es aproximadamente 9.81 m/s², queremos encontrar $mu_ {k}$ .

Primero, calcule la fuerza normal ( $N$ ):

$N = m por g$ $N = 10 texto{ kg} multiplicado por 9.81 texto{ m/s}^2 = 98.1 texto{ N}$

Luego, usa la fórmula para $mu_ {k}$ :

$mu_{k} = frac{m veces a}{N}$ $mu_{k} = frac{10 texto{ kg} por 2 texto{ m/s}^2}{98.1 texto{ N}}$ $mu_k} aproximadamente 0.204$

Entonces, el coeficiente de fricción cinética entre el bloque y la superficie es aproximadamente 0.204.

Cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética sin fuerza de fricción

fricción cinética sin fuerza de fricción

En escenarios del mundo real, es posible que no siempre se tenga una medida directa de la fuerza de fricción entre dos superficies, pero aún así puede ser necesario determinar el coeficiente de fricción cinética ( $μ k$ ). Una forma de derivar $μ k$ es analizando el movimiento de un objeto en una pendiente.

Cuando un objeto se desliza hacia abajo por una pendiente sin aceleración (es decir, a velocidad constante), la fuerza neta que actúa sobre él es cero. Esto significa que el componente de la gravedad que lo empuja hacia abajo por la pendiente está equilibrado por la fuerza de fricción que resiste su movimiento.

Profundicemos en las matemáticas de esto:

Fuerza gravitacional paralela a la inclinación

La componente de la fuerza gravitacional que actúa paralela al plano inclinado se puede encontrar mediante:

$F_{paralelo} = mg sin(theta)$

Lugar:

$m$ es la masa del objeto.
$g$ es la aceleración debida a la gravedad (aproximadamente $9.81, texto{m/s}^2$ cerca de la superficie de la Tierra).
$theta$ es el ángulo de inclinación.

Fuerza de fricción

La fuerza de fricción que actúa sobre el objeto se puede representar como:

$F_ {fricción} = mu_k N$

Dónde $N$ es la fuerza normal (perpendicular). Para un plano inclinado, la fuerza normal viene dada por:

$N = mg cos(theta)$

Por tanto, la fuerza de fricción es:

$F_{fricción} = mu_k mg cos(theta)$

Equilibrando las fuerzas

A velocidad constante:

$F_{paralelo} = F_{fricción}$

Sustituyendo en nuestras expresiones:

$mg sin(theta) = mu_k mg cos(theta)$

A partir de esto podemos resolver $mu_k$ :

$mu_k = tan(theta)$

Ejemplo resuelto

Digamos que se observa que un objeto se desliza hacia abajo por una pendiente a una velocidad constante, y el ángulo de la pendiente, $theta$ , se mide en 30°.

Usando la fórmula derivada:

$mu_k = bronceado(30^{circ})$

$mu_k aproximadamente 0.577$ (redondeado a tres decimales)

Por tanto, el coeficiente de fricción cinética, $mu_k$ , entre el objeto y la inclinación es aproximadamente 0.577.

NOTA: Este método supone que no actúan otras fuerzas (como la resistencia del aire) sobre el objeto y que el objeto se mueve a una velocidad constante a lo largo de la pendiente.

Cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética usando velocidad y distancia

En muchos escenarios experimentales o del mundo real, es posible que tenga información sobre la velocidad inicial de un objeto y la distancia que recorrió antes de detenerse debido a la fricción. Estos datos pueden ser invaluables para determinar el coeficiente de fricción cinética ( $μ k$ ) entre el objeto y la superficie sobre la que se desliza.

Vea también Cómo encontrar producción de energía útil: 7 campos y casos de uso

Fricción cinética con velocidad y distancia.

Entendamos los principios detrás de esto:

Trabajo realizado por la fuerza de fricción

El trabajo realizado por la fuerza de fricción a lo largo de la distancia ( $d$ ) es igual al cambio de energía cinética del objeto.

$W_{fricción} = mu_k N d$

Lugar:

$N$ es la fuerza normal (perpendicular). Sobre una superficie horizontal, $N = miligramos$ , Donde $m$ es la masa del objeto y $g$ es la aceleración debida a la gravedad (aproximadamente $9.81, texto{m/s}^2$ ).

Cambio en la energía cinética

La energía cinética inicial del objeto (cuando tiene velocidad $v$ ) es:

$KE_{inicial} = frac{1}{2} mv^2$

Como el objeto se detiene, su energía cinética final es cero. Por tanto, el cambio de energía cinética es:

$Delta KE = frac{1}{2}mv^2$

Igualar trabajo y cambio en energía cinética

Para que el objeto se detenga:

$W_{fricción} = Delta KE$

Sustituyendo en nuestras expresiones:

$mu_k mgd = frac{1}{2} mv^2$

A partir de esta ecuación podemos resolver $mu_k$ :

$mu_k = frac{v^2}{2gd}$

Ejemplo resuelto

Imagine un objeto deslizándose sobre una superficie horizontal. Tiene una velocidad inicial de $5 , texto{m/s}$ y se detiene después de viajar $10, texto{m}$ . Determinemos el coeficiente de fricción cinética, $mu_k$ , entre el objeto y la superficie.

Usando la fórmula derivada:

$mu_k = frac{5^2}{2(9.81)(10)}$

$mu_k aprox frac{25}{196.2}$

$mu_k aproximadamente 0.127$ (redondeado a tres decimales)

Por tanto, el coeficiente de fricción cinética, $mu_k$ , entre el objeto y la superficie es aproximadamente 0.127.

NOTA: Este método se basa en el principio de conservación de la energía. Se supone que la única fuerza que realiza trabajo sobre el objeto (lo que lleva a un cambio en su energía cinética) es la fuerza de fricción, sin otras fuerzas (como la resistencia del aire) en juego.

Cómo encontrar el coeficiente de fricción cinética usando masa y fuerza

Cuando un objeto está en movimiento sobre una superficie horizontal y conoces la fuerza que se le aplica y su masa, puedes determinar el coeficiente de fricción cinética ( $μ k$ ) entre el objeto y la superficie. Profundicemos en el proceso paso a paso.

Fuerza de fricción

La fuerza de fricción que actúa contra el movimiento de un objeto sobre una superficie horizontal puede estar dada por:

$F_ {fricción} = mu_k N$

Lugar:

$N$ es la fuerza normal (perpendicular). Sobre una superficie horizontal, $N = miligramos$ , Donde $m$ es la masa del objeto y $g$ es la aceleración debida a la gravedad (aproximadamente $9.81, texto{m/s}^2$ ).

Fuerza neta que actúa sobre el objeto

Si una fuerza ( $F$ ) se aplica al objeto para mantenerlo en movimiento a una velocidad constante sobre la superficie horizontal, la fuerza neta es cero (ya que no hay aceleración). Esto significa que la fuerza aplicada $F$ está equilibrado por la fuerza de fricción:

$F = F_ {fricción}$

Encontrar $μ k$

Usando las ecuaciones anteriores, podemos expresar $F$ en términos de $μ_{k}$ :

$F = mu_k mg$

A partir de esta ecuación podemos resolver $mu_k$ :

$mu_k = frac{F}{mg}$

Ejemplo resuelto

Consideremos un objeto con una masa de $10 , texto{kg}$ siendo empujado sobre una superficie horizontal. Para mantener el objeto moviéndose a una velocidad constante, se aplica una fuerza de $20, texto{N}$ Está aplicado. Determine el coeficiente de fricción cinética, $mu_k$ , entre el objeto y la superficie.

Usando la fórmula derivada:

$mu_k = frac{20}{10(9.81)}$

$mu_k aprox frac{20}{98.1}$

$mu_k aproximadamente 0.204$ (redondeado a tres decimales)

Por tanto, el coeficiente de fricción cinética, $mu_k$ , entre el objeto y la superficie es aproximadamente 0.204.

NOTA: Este enfoque supone que el objeto se mueve a velocidad constante, lo que significa que no hay aceleración y la fuerza neta que actúa sobre él es cero. Esto es crucial porque nos permite equiparar la fuerza aplicada con la fuerza de fricción.

Preguntas frecuentes

¿El cálculo de la fricción cinética sin masa da el mismo valor de coeficiente obtenido al considerar la masa?

Sí, el valor del coeficiente de fricción cinética con o sin considerar la masa es el mismo.

Dado que la fricción es una cantidad que es independiente de la masa absoluta del sistema, la masa no afecta el valor de la fricción involucrada en el proceso. Por lo tanto, el coeficiente de fricción cinética permanece sin cambios con o sin considerar la masa del objeto.

¿Influye la naturaleza del material en el coeficiente de fricción cinética?

El coeficiente de fricción cinética es un valor numérico que da evidencia de la presencia de fuerza de fricción entre los objetos.

Dado que la fricción está influenciada por la naturaleza del material, es tan evidente que su coeficiente también está influenciado en gran medida por la naturaleza del material.

¿Qué es necesario para encontrar el coeficiente de fricción cinética de un objeto en movimiento?

Sin el coeficiente de fricción cinética, es bastante difícil medir la fuerza que hace que el objeto obstaculice su movimiento.

Vea también La ciencia detrás de la conducción (explicada para principiantes)

La fricción es siempre proporcional a la reacción perpendicular normal entre las superficies. Esta relación de proporcionalidad está especificada por la cantidad adimensional llamada coeficiente. El coeficiente de fricción cinética mide el valor absoluto de la fuerza de fricción que detiene el objeto en movimiento.

¿Puede el valor del coeficiente de fricción cinética ser mayor que 1?

Generalmente, el valor del coeficiente de fricción cinética varía de 0 a 1. A veces da un valor de coeficiente superior a 1.

Si la influencia de la fuerza de fricción es más fuerte que la reacción perpendicular entre las dos superficies móviles, el valor del coeficiente de fricción cinética exhibe un valor mayor que 1. La fuerza de fricción máxima hace que el objeto restrinja su movimiento de modo que automáticamente el coeficiente de fricción cinética aumenta. proporcionalmente.

¿Un mayor coeficiente de fricción cinética conduce a la disipación de energía?

La disipación de energía debida a la fricción se puede describir en términos de la Ley de conservación de energía.

Un mayor coeficiente de fricción cinética significa que la fuerza de fricción es más fuerte que la fuerza aplicada. La tarea desafiante es mantener el cuerpo en movimiento en presencia de fricción. Por tanto, se necesita mucha fuerza para mantener el cuerpo en movimiento. La fuerza máxima ejercida para mantener el cuerpo en movimiento hace que la energía cinética disipación liberada en forma de calor.

¿Cuál es el coeficiente de fricción?

R: El coeficiente de fricción es una cantidad adimensional que representa la relación entre la fuerza de fricción entre dos objetos y la fuerza que los presiona entre sí.

¿Cómo puedo calcular el coeficiente de fricción?

R: El coeficiente de fricción se puede calcular dividiendo la fuerza de fricción por la fuerza normal que actúa sobre el objeto.

¿Cuál es la diferencia entre fricción cinética y estática?

R: La fricción cinética ocurre cuando dos objetos están en movimiento relativo, mientras que la fricción estática ocurre cuando no hay movimiento relativo entre los dos objetos, es decir, los objetos están en reposo.

¿Cuál es la fórmula para el coeficiente de fricción cinética?

R: La fórmula para el coeficiente de fricción cinética es μk = Fk/N, donde μk es el coeficiente de fricción cinética, Fk es la fuerza de fricción cinética y N es la fuerza normal.

¿Cómo puedo encontrar el coeficiente de fricción cinética de un objeto en movimiento sobre una superficie plana?

R: Para encontrar el coeficiente de fricción cinética de un objeto en movimiento sobre una superficie plana, puedes usar la ecuación μk = tan(θ), donde θ es el ángulo entre la fuerza de fricción cinética y la fuerza perpendicular a la superficie.

¿Cuál es la ecuación para calcular la fuerza de fricción cinética?

R: La ecuación para calcular la fuerza de fricción cinética es Fk = μkN, donde Fk es la fuerza de fricción cinética, μk es el coeficiente de fricción cinética y N es la fuerza normal.

¿Cómo puedo encontrar el coeficiente de fricción estática?

R: El coeficiente de fricción estática se puede encontrar dividiendo la fuerza máxima de fricción estática por la fuerza normal.

¿Cuál es la relación entre los coeficientes de fricción estática y cinética?

R: El coeficiente de fricción estática es generalmente mayor que el coeficiente de fricción cinética para un par de superficies determinado.

¿Cómo puedo resolver un problema de fricción usando el coeficiente de fricción?

R: Para resolver un problema de fricción usando el coeficiente de fricción, puedes configurar ecuaciones basadas en la ecuación de fricción y otras ecuaciones relevantes, y resolver las variables desconocidas usando métodos algebraicos.

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Keerthi Murthi

Soy Keerthi K Murthy, he realizado un posgrado en Física, con la especialización en el campo de la física del estado sólido. Siempre he considerado la física como un tema fundamental que está conectado con nuestra vida diaria. Como estudiante de ciencias, disfruto explorando cosas nuevas en física. Como escritor, mi objetivo es llegar a los lectores de manera simplificada a través de mis artículos.