¿Por qué la fricción no depende del área de contacto?

Lo hace . Pero no dramáticamente.

En la medida en que el concepto de un “coeficiente de fricción [deslizante]” [matemática] \ mu [/ matemática] sea válido, la fuerza de fricción es proporcional a la fuerza normal, [matemática] F_f = \ mu N [/ matemática]. El área [matemática] A [/ matemática] sobre la cual se distribuye la fuerza normal significa que una presión [matemática] p = N / A [/ matemática] está presionando las dos superficies juntas.

Del mismo modo, el esfuerzo cortante perpendicular debido a la fricción es [matemática] \ tau = \ mu N / A [/ matemática]. Como se explica en la página de Wikipedia, se supone que la tensión de corte es proporcional al esfuerzo de corte con una constante de proporcionalidad G , el módulo de corte . Esto es válido hasta el punto en que el material bajo tensión de corte se rompe . Entonces uno podría esperar que se libere la tensión hasta que el siguiente trozo de material golpee contra la superficie de corte.

Eso es lo que sucede en la fricción entre dos superficies sólidas: cada superficie es microscópicamente rugosa, por lo que tiene pequeños picos y valles que se atascan contra los valles y picos de la otra superficie. Cuando uno se tira hacia un lado, algunos de los picos se cortan … y luego otros.

Puede imaginar que, con una presión más normal, los picos y los valles se aplastan aún más, de modo que cada vez se corta un área de sección transversal más grande. Por lo tanto, el esfuerzo cortante requerido para romperlo aumenta proporcionalmente. QED

Debería estar claro en este punto que estoy inventando esto a medida que avanzo. Cualquier persona razonable sospechará ahora y anticipará desviaciones de la ley simple que define el coeficiente de fricción deslizante. Creo que estarían en lo correcto; pero desde Leonardo hemos sido conscientes de que funciona sorprendentemente bien. (Bueno, estoy sorprendido). La página de Wikipedia sobre Friction relata gran parte de esta historia, pero (IMO) trata de hacer que parezca más simple de lo que es. La ciencia de la tribología parece estar intentando una comprensión más profunda. Al final es solo (hasta ahora) un hecho empírico que esta aproximación es “bastante buena”.

Esa fricción no depende del área de contacto. Es un nombre inapropiado. La fricción no depende del área aparente de contacto. pero depende mucho del área real de contacto. Esto se puede explicar fácilmente:

Cuando la presión actúa sobre dos superficies en contacto (quizás debido al peso) y las superficies tienen un movimiento relativo, la fuerza de fricción lateral tiende a cortar las crestas en las superficies de material respectivas. Esto se debe a la rugosidad atómica de las superficies. Cuando tocas una superficie, solo tocas las crestas de la superficie.

Una explicación macroscópica es posible. El cizallamiento por fricción da como resultado el rendimiento del material en el contacto. El rendimiento es el fenómeno cuando se aplica una cierta cantidad de carga después del límite elástico del material, el material comienza a deformarse continuamente (fluye) bajo la tensión aplicada, llamada plasticidad. La fuerza de fricción dividida por el área real de contacto equivale aproximadamente al límite elástico, que es una propiedad del material y es una constante para un material dado:

[matemáticas] \ dfrac {F_f} {A_ {real}} = \ sigma_y = constante [/ matemáticas]

o, [matemáticas] F_f \ propto A_ {real} [/ matemáticas]

Ahora, el área real de contacto es directamente proporcional a la fuerza normal:

[matemáticas] A_ {real} \ propto N [/ matemáticas]

De las dos ecuaciones, obtenemos que [matemáticas] F_f \ propto N [/ matemáticas]

Observe que el área aparente de contacto no apareció en ninguna parte de las ecuaciones. La fuerza de fricción depende solo del área real de contacto, no del área aparente de contacto. Como es muy difícil para nosotros estimar el área real de contacto, a menudo usamos la última ecuación en ingeniería y física. Sirve bien la mayoría de las veces.

Consideremos un bloque de masa M, que se mantiene en la superficie. El coeficiente de fricción viene dado por ‘u’. Vea el diagrama

Aquí la fricción total disponible está dada por

Fricción = uMg
Donde g es la aceleración gravitacional

El área de contacto es inherente a ‘u’, es decir, el coeficiente de fricción representa indirectamente el área de contacto
Considera otro caso
Un bloque más de masa M se mantiene en el bloque de masa M ver el diagrama


La fricción total disponible viene dada por 2uMg
Podemos ver claramente que el área de contacto es constante mientras que la fuerza de fricción se vuelve dos veces, por lo que podemos observar claramente que el área de contacto es inherente al coeficiente de fricción.
Entonces, la fricción depende tanto del área de contacto que es u como también de la inercia del cuerpo.

Physics for Dummies lo pone bien:

“La fuerza debida a la fricción es generalmente independiente del área de contacto entre las dos superficies. Esto significa que incluso si tiene dos objetos pesados ​​de la misma masa, donde uno es la mitad de largo y el doble de alto que el otro, todavía experimentan la misma fuerza de fricción cuando los arrastra por el suelo. Esto tiene sentido, porque si el área de contacto se duplica, puede pensar que debería tener el doble de fricción. Pero cuando duplica la longitud de un objeto, reduce a la mitad la fuerza en cada centímetro cuadrado, porque menos peso está por encima para empujar hacia abajo.

No soy un físico, sin embargo, intentaré responder más desde un punto de vista de ingeniería.

1. No hay área de contacto, todos los contactos son contactos puntuales que son menos de lo que esperamos.

Considere una mesa (sí, una mesa) apoyada en el suelo. Parece descansar sobre sus cuatro patas. Sin embargo, una mesa ideal completamente rígida sobre un terreno completamente rígido en realidad se apoyará en solo 3 patas. El cuarto estará colgando en el aire.

La tabla es un ejemplo exagerado, pero dos cuerpos que parecen estar en contacto con el Área no son diferentes.

2. Prácticamente los cuerpos son flexibles y no rígidos, por lo que lo que realmente sucede es que debido al PESO, los puntos de contacto se comprimirán y luego la cuarta pata (más corta) también tocará y compartirá la carga, etc., sin embargo, se compartirá desigual

3. Consideremos también un cuerpo no rígido pero sin peso, incluso esto hará contacto solo en 3 puntos, porque no hay peso para flexionar los cuerpos.


Entonces, lo que vemos como un contacto de Área como en A es en realidad como B cuando se amplía.

Por lo tanto, una conclusión de ingeniería de nivel MACRO es

No hay contacto de Área, solo son números de contactos de punto que comienzan con 3 y aumentan con la carga y solo si hay carga.

Cuando los números aumentan, la fuerza requerida para arrastrar el cuerpo aumenta, por lo que depende solo de la carga.

Lo que sucede a nivel microscópico, alguien más puede arrojar algo de luz porque la tribología es un tema completo en sí mismo.

Esto es simple si miramos en forma microscópica. En primer lugar, recuerde el hecho de que la fuerza de fricción es directamente proporcional a la reacción normal. Ahora suponga que tenemos un área de contacto pequeña entre dos superficies, de modo que la reacción normal se distribuye en un área pequeña, de modo que cada punto común tenga una reacción más normal desde ambos lados, por lo que la fricción en ese punto es mayor. Ahora, en el segundo caso, considere un área grande en contacto, por lo que hay muchos puntos en contacto, por lo que la reacción normal se distribuye por completo y cada punto tiene una reacción menos normal, por lo que experimenta menos fuerza de fricción, pero hay más puntos que el caso anterior de manera tan efectiva en ambos casos Podemos decir que la fuerza de fricción es la misma. Por lo tanto, no depende del área de contacto

Bueno, la fricción no depende del área de contacto no tiene mucho sentido, pero en realidad es cierto.

Considere la fricción estática entre dos cuerpos. La fricción en realidad es causada por el enclavamiento de las protuberancias microscópicas de la superficie de ambos cuerpos. Por lo tanto, el nivel de enclavamiento decide la cantidad de fricción entre ellos. Aquí, la intuición dice que cuanto más es el área de superficie, más es la fricción. Pero el nivel de enclavamiento (intensidad o profundidad) nuevamente depende completamente de la masa del cuerpo. Entonces, si más masa, más intensidad del enclavamiento, más fricción. Es decir, la fricción es directamente proporcional a la masa del cuerpo y aproximadamente independiente del área de contacto. Porque solo la masa decide el nivel de enclavamiento.
Salud

Parece razonable que la fuerza de fricción aumente al aumentar el área de superficie, pero en realidad es independiente de ella. Así es cómo:

Cuando aumenta el área de superficie, la presión entre las dos superficies de contacto disminuye porque

Presión = Fuerza / Área

Ahora, esta disminución de la presión debido a la fuerza cancela el aumento de la fuerza de fricción desarrollada al aumentar el área.

Por lo tanto, la fuerza de fricción se vuelve independiente del área de la superficie de contacto.

si dice que cuando el área aumenta el aumento de la fricción, en realidad se equivoca porque la presión = fuerza / área, y matemáticamente cuando el área aumenta la presión disminuye, de modo que el aumento de la presión compensa el aumento de la fricción para que la fricción permanezca igual si la masa es la son iguales pero son excepciones: – polímeros Cuando las superficies son adhesivas, la fricción de Coulomb se convierte en una aproximación muy pobre. En este caso, la fuerza de fricción puede depender del área de contacto.

No se trata de ser obtuso, pero la fuerza de fricción se calcula sobre la base de la fuerza normal y el coeficiente de fricción. El área no aparece en la expresión. Contraintuitivo tal vez, pero es la naturaleza del universo.

Quizás después de que el universo se contraiga a una singularidad, y ocurra el próximo Big Bang, la fricción dependerá del área. Pero no esta vez.

No hay pruebas para esta afirmación porque no es un hecho científico. Es una simplificación de primer orden que se usa con frecuencia en física aplicada e ingeniería porque la dependencia real de la fricción en el área de contacto no se conoce bien.

De hecho, la fricción no solo depende del área de contacto efectiva, sino también de cuánto tiempo han estado en contacto las superficies, cuáles son sus velocidades relativas, qué tan rápido están cambiando esas velocidades, el tipo de material, el acabado del material, la temperatura ambiente, el entorno químico, propiedades químicas del medio ambiente y muchos otros.

Todo el campo de la geofísica y la teoría de placas ha estado estudiando estos efectos no ideales de la fricción dependiente de la velocidad y el estado durante años.

A2A: Asume que la fricción es proporcional al área para presión constante, y también que la fricción es proporcional a la presión o fuerza para un área constante. Estas son aproximaciones, pero se acercan bastante en la mayoría de los casos.

Suponiendo un peso fijo, la presión es inversamente proporcional al área de contacto. Entonces, según los supuestos, la disminución de la presión compensaría exactamente cualquier aumento en el área de contacto.

Estos son mis pensamientos …

  • ¿Por qué está presente la fricción?

Debido a que la estructura del sólido no es lisa (hay anormalidades que se unen entre sí y causan una fuerza que se opone al movimiento)


En la analogía anterior,

Si agregara 2 patas más paralelas a las 2 patas en la figura 1 (dentro del tablero {como un automóvil}), la fuerza neta sobre A seguiría siendo la misma.

La figura 2 es la figura 1 con un área superficial menor.

Espero que esto te ayude.

En el nivel intermedio de educación aprendemos F = mu.N donde mu es una “constante”. Pero esta constante depende de varios factores que incluyen el área de contacto.

En el nivel más básico, la fricción es una consecuencia del enclavamiento de ‘altibajos’ invisibles entre las superficies en contacto. Ahora más área de contacto significa más subidas y bajadas, lo que aumenta la fuerza de fricción.

La respuesta simple es que sin un área de superficie no hay flujo laminar que cause fricción. Además del área de superficie, también necesita una atmósfera. En el vacío del espacio, con la mayor área de superficie posible, la fricción es inexistente o apenas insignificante.

Si baja al nivel de micrómetro, observará que el área de contacto real es extremadamente menor en comparación con el área de contacto que es realmente aparente. Por lo tanto, la fuerza de fricción depende del área real de contacto y no del área aparente de contacto.

Cuando tiramos de una mesa que descansa sobre cuatro áreas pequeñas, la fuerza de fricción es la misma, cuando la mesa está invertida y descansa sobre un área grande.

Esto muestra que la fricción se ajusta a sí misma, para permanecer igual aunque se cambie el área de contacto.

Sé que no he respondido tu pregunta.

Pero he dado un nuevo concepto de que la fricción se ajusta según el área.

Otra pregunta que debe responderse es por qué la fricción aumenta y se ajusta para ser igual a la fuerza aplicada hasta que se alcanza la fricción límite.

La respuesta a lo anterior, creo, conducirá a responder a su pregunta también.

La fricción no depende del área aparente de contacto, sino del área real de contacto, ya que todas las superficies tienen algunas irregularidades como picos y valles. Estos picos son escasos y hacen contacto en varios puntos cuando otra superficie entra en contacto debido a la aplicación de una carga. Cuando las dos superficies se deslizan entre sí, las fuerzas de corte que actúan entre estos puntos de contacto conducen a la fricción.

¿Por qué no revisas las respuestas aquí? Han sido muy bien escritas.

¿Por qué la fricción no depende del área de contacto?

Eso debe ayudar. Si no comenta a continuación.

Creo que el modelo de fricción se ha simplificado demasiado y está equivocado en muchos casos. El modelo simple presentado por Amonton es exclusivamente físico. La fricción también se repite de las especies involucradas, algunas fuerzas moleculares también están involucradas pero no se consideran en este modelo. Creo que las fuerzas moleculares dependen del área y pueden explicar irregularidades a menudo observadas en los experimentos.