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Física · Unidad 4 — Dinámica

Rozamiento

El rozamiento no depende de cuánta superficie apoyás ni de la velocidad: depende de cuán apretadas están las superficies, o sea de la normal.

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La explicación

Las dos clases

estático: F_roz ≤ µ_e·N  (mientras no se mueve)
dinámico: F_roz = µ_d·N  (mientras se mueve)

La diferencia importa y se toma. El estático lleva un ≤ porque vale lo que haga falta para impedir el movimiento, hasta un máximo. Si empujás una caja con 20 N y no se mueve, el rozamiento vale 20 N, no µ_e·N.

El dinámico es un valor fijo mientras haya deslizamiento, y normalmente µ_d < µ_e: cuesta más arrancar que mantener en movimiento. Eso explica el tirón cuando algo por fin se despega.

Cómo saber si se mueve o no

1. Suponé que no se mueve y calculá cuánto rozamiento haría falta para equilibrar.
2. Compará con el máximo µ_e·N.
3. Si el necesario es menor, no se mueve y el rozamiento vale lo necesario.
4. Si es mayor, se mueve, y ahí recién se usa µ_d·N.

Saltarse este análisis y usar µ_e·N directamente como si fuera un valor fijo es el error conceptual del tema.

Dirección

El rozamiento se opone al movimiento relativo (o a la tendencia al movimiento), no necesariamente a la fuerza aplicada. Y no siempre frena: el rozamiento es lo que impulsa a un auto hacia adelante, porque las ruedas empujan el suelo hacia atrás.

Cuidado con la normal

N no siempre vale m·g. Hay que calcularla del diagrama de cuerpo libre cada vez:

Como el rozamiento es µ·N, todo error en la normal se propaga entero al rozamiento. Es la fuente de error más común del tema.

Plano inclinado: el ángulo crítico

Un cuerpo empieza a deslizar cuando la componente del peso paralela supera al rozamiento máximo:

m·g·sen(α) > µ_e·m·g·cos(α)  ⟹  tan(α) > µ_e

La masa se cancela: el ángulo al que algo empieza a resbalar no depende de cuánto pese. Y de ahí sale un método para medir µ_e: se inclina hasta que resbala y se calcula la tangente de ese ángulo.

Que µ no tenga unidades

El coeficiente es un número puro, porque es un cociente entre dos fuerzas. Si en un ejercicio te queda con unidades, el planteo está mal. Valores de referencia: goma sobre asfalto seco ~0,8; hielo sobre hielo ~0,05.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Un bloque de 10 kg se lanza a 10 m/s sobre una superficie horizontal con μd = 0,2. ¿Cuánto recorre antes de detenerse? (g = 10)

Normal: plano horizontal y sin otras fuerzas verticales, así que

N = m·g = 100 N

Rozamiento: como desliza, uso el dinámico.

f_r = μ_d · N = 0,2 · 100 = 20 N

Aceleración: es la única fuerza horizontal, y se opone al movimiento.

a = −f_r/m = −20/10 = −2 m/s²

Fijate que a = −μ_d·g: la masa se canceló. La desaceleración por rozamiento no depende de cuán pesado sea el bloque.

Distancia: uso v² = v₀² + 2aΔx con v = 0.

0 = 100 + 2·(−2)·Δx  →  Δx = 100/4 = 25 m
Y uno del nivel del parcial

Sobre un bloque de 8 kg apoyado en el piso se aplica una fuerza de 60 N inclinada 37° por debajo de la horizontal, es decir empujándolo hacia adelante y hacia abajo. El coeficiente de rozamiento dinámico es 0,3. Hallar la normal, la fuerza de rozamiento y la aceleración. (g = 10 m/s², sen 37° = 0,6 · cos 37° = 0,8)

Este ejercicio existe por una sola razón: para ver si escribís N = m·g sin pensar. No vale, y acá se nota mucho.

La fuerza aplicada se descompone. Está inclinada hacia abajo, así que su componente vertical se suma al peso en vez de restarse:

Fx = 60 · cos 37° = 60 · 0,8 = 48 N (hacia adelante)
Fy = 60 · sen 37° = 60 · 0,6 = 36 N (hacia abajo)

El eje vertical, que es donde está el quilombo. El bloque no sube ni baja, así que la normal tiene que equilibrar al peso y además a esos 36 N:

N = m·g + Fy = 80 + 36 = 116 N

Si hubieras puesto N = 80 N, el resto del ejercicio quedaba mal aunque las cuentas siguientes estuvieran perfectas.

Recién ahora el rozamiento, porque el rozamiento se calcula con la normal de verdad, no con el peso:

fr = μ·N = 0,3 · 116 = 34,8 N

El eje horizontal. Empuja la componente x, frena el rozamiento:

a = (48 − 34,8) / 8 = 13,2 / 8 = 1,65 m/s²

Lo que hay que entender del resultado. Empujar hacia abajo te da menos aceleración que empujar horizontal: los mismos 60 N aplicados en horizontal darían a = (60 − 24)/8 = 4,5 m/s². Al inclinar la fuerza hacia abajo perdés parte del empuje y encima apretás más el bloque contra el piso, que lo frena más. Por eso un carrito se tira, no se empuja.

Dónde se pierde el punto: calcular el rozamiento antes que la normal, o con la normal equivocada. El orden es siempre: eje vertical → N → fr → eje horizontal.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento y un simulador donde los números los elegís vos.

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