Fricción Estática y Cinética Exp 31

Experimento
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Fricción Estática y Cinética
Si tratas de deslizar una caja pesada que descansa sobre el suelo, vas a encontrar que resulta
difícil moverla. La fricción estática es la fuerza contraria a la tuya en la caja. Si aplicas un
empujón ligero y horizontal que no logra mover la caja, la fuerza de fricción estática es también
pequeña y directamente opuesta a tu empujón. Si empujas más fuerte, la fuerza de fricción
aumenta para emparejarse con la magnitud de tu empujón. Hay un límite para la magnitud de la
fuerza de fricción estática, de modo que eventualmente puedes ser capaz de aplicar una fuerza
mayor que la fuerza de fricción estática máxima y lograr que la caja se mueva. La fuerza de
fricción estática máxima a menudo se denomina como fricción de partida. Modelamos la fricción
estática, Festática, con la desigualdad Festática  e N donde e es el coeficiente de fricción estática y
N es la fuerza normal ejercida por la superficie sobre el objeto. La fuerza normal se define como
la componente perpendicular de la fuerza ejercida por la superficie. En este caso, la fuerza
normal es igual al peso del objeto.
Una vez que la caja comienza a deslizarse, debes seguir aplicando una fuerza sobre el objeto para
que continúe su movimiento, o la fricción lo detendrá. La fricción que actúa sobre la caja
mientras se está moviendo es la llamada fricción cinética. Para deslizar la caja con velocidad
constante, hay que aplicar una fuerza equivalente a la fuerza de fricción cinética. La fricción
cinética a menudo se denomina como fricción de deslizamiento. Ambas fuerzas de fricción
estática y cinética dependen de la superficie de la caja y del suelo, y de cuán fuerte se presionan
una con otra. Modelamos la fuerza de fricción cinética con Fcinética = c N, donde c es el
coeficiente de fricción cinética.
En este experimento, usarás un Sensor de fuerza para estudiar la fricción estática y la fricción
cinética en un bloque de madera. También usarás un Detector de Movimiento para analizar la
fricción cinética que actúa sobre el bloque deslizante.
OBJETIVOS

Usar Sensor de Fuerza de Doble Intervalo para medir la fuerza de fricción estática.
Determinar la relación entre la fuerza de fricción estática y el peso de un objeto.
 Medir los coeficientes de fricción estático y cinético para un bloque particular y la pista.
 Usar un Detector de Movimiento para medir independientemente el coeficiente de fricción
cinético y compararlo con el valor medido previamente.
 Determinar si el coeficiente de fricción cinética depende del peso.

MATERIALES
computador
interfaz Vernier para computador
Logger Pro
Detector de Movimiento Vernier
Sensor de Fuerza Vernier
Ciencias con lo mejor de Vernier
cuerda
Bloque de Madera con gancho
balanza
Juego de masas
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PREGUNTAS PRELIMINARES
1. Cuando empuja una caja pesada a través del suelo, ¿la fuerza que necesitas aplicar para iniciar
el movimiento de la caja es mayor que, menor que o la misma que la fuerza necesaria para
mantener en movimiento la caja? ¿En qué basas tu respuesta?
2. ¿Cómo crees que la fuerza de fricción está relacionada con el peso de la caja? Explica.
PROCEDIMIENTO
Parte I Fricción de Partida
1. Mide la masa del bloque y regístralo en la tabla de datos.
2. Conecta el Sensor de Fuerza de Intervalo Dual al Ch 1 de la interfaz. Coloca el selector del
Sensor de Fuerza a la posición 50 N.
3. Abre el archivo “12a Fricción cinética y estática” en la carpeta Física con Computadores.
4. Amarra un extreme de la cuerda al gancho en el Sensor de Fuerza y el otro extremo al gancho
en el bloque de madera. Coloca una masa total de 1 kg sobre el bloque, fija la masa al bloque
para que no se deslice. Practica tirando del bloque y la masa con el Sensor de Fuerza usando
le movimiento rectilíneo siguiente: Tira del bloque despacio con una pequeña fuerza
horizontal. De forma muy gradual, tomando un segundo completo para ello, aumenta la
fuerza hasta que el bloque comienza a deslizarse, ahora debes mantener el bloque en
movimiento a velocidad constante durante otro segundo.
5. Dibuja el gráfico de Fuerza vs. Tiempo para la fuerza que sentiste sobre tu mano. Etiqueta la
porción del gráfico que corresponde al bloque en reposo, el instante en que el bloque justo
inició su movimiento y el tiempo en que el bloque se movió a velocidad constante.
6. Sujeta el Sensor de Fuerza en su posición, listo para tirar del bloque, pero sin tensión en la
cuerda. Haz clic en
para llevar a cero al Sensor de Fuerza.
7. Haz clic en
para iniciar la toma de datos. Tira del bloque como se explicó antes,
teniendo cuidado de aumentar la fuerza gradualmente. Repite el proceso tantas veces como
sea necesario hasta lograr un gráfico que refleje el movimiento deseado, incluyendo la parte
en que el bloque se mueve a velocidad constante luego de iniciar su movimiento. Imprime o
copia el gráfico para usarlo en la sección Análisis de esta actividad.
Parte II Cresta de la Fricción Estática y la Fricción Cinética
En esta sección, medirás la cresta de la fuerza de fricción estática y la fuerza de fricción
cinética como una función de la fuerza normal sobre el bloque. En cada serie, tirarás del
bloque como antes, pero al cambiar la masa sobre el bloque, variarás la fuerza normal sobre
dicho bloque.
Bloque de madera
Mass
Masa
Wooden block
Dual-Range
Force Sensor
Tira
Pull
Figura 1
8. Retira todas las masas sobre el bloque.
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Fricción Estática y Cinética
9. Haz clic en
para iniciar la toma de datos y tira como antes para obtener los datos del
gráfico Fuerza vs. Tiempo.
10. Examina los datos hacienda clic sobre el botón Estadísticas, . El valor máximo de la fuerza
ocurre cuando el bloque comienza a deslizarse. Lee este valor del máximo de la fuerza de
fricción estática en la caja flotante y regístralo en tu tabla de datos.
11. Arrastra el puntero a través de la zona del gráfico correspondiente al movimiento del bloque a
velocidad constante. Haz clic en el botón Estadísticas otra vez y lee el valor promedio (o la
media) de la fuerza durante el intervalo de tiempo. Esta fuerza es la magnitud de la fuerza de
fricción cinética.
12. Repite los Pasos 9-11 para dos mediciones más y promedia los resultados para determinar la
validez de tus mediciones. Registra los valores en la tabla de datos.
13. Añade masas al bloque hasta lograr 250 g. Repite los Pasos 9 – 12, registrando los valores en
la tabla de datos.
14. Repite todo otra vez para masas de 500, 750 y 1000 g. Registra los valores en la tabla de
datos.
Parte III Fuerza de Fricción Cinética otra vez
En esta sección medirás el coeficiente de fricción cinética en una segunda forma y lo
compararás con el que mediste en la Parte II. Usando el Detector de Movimiento, puedes
medir la aceleración del bloque mientras se desliza hasta detenerse. Esta aceleración se puede
determinar a partir del gráfico de Velocidad vs. Tiempo. Mientras se desliza, la única fuerza
que actúa sobre el bloque en la dirección horizontal es la fricción. De la masa del bloque y de
su aceleración, puedes encontrar la fuerza de fricción y finalmente, el coeficiente de fricción
cinética.
Bloque de madera
Wooden block
Empuja
Push
Figura 2
15. Conecta Detector de Movimiento a DIG/SONIC 1 de la interfaz Vernier para computador. Abre
el archivo “12b Fricción cinética y estática” en la carpeta Física con Computadores.
16. Coloca el Detector de Movimiento en la mesa de laboratorio a 2 – 3 m de un bloque de
madera, como se ilustra en la Figura 2. Coloca el Detector de Movimiento de forma tal que
pueda detectar el movimiento del bloque mientras se desliza hacia el detector.
17. Practica deslizando el bloque hacia el Detector de Movimiento de modo que el bloque
abandone tu mano y se deslice hasta detenerse. Minimiza la rotación del bloque. Luego de
dejar tu mano el bloque debe deslizarse como 1 m antes de detenerse y no debe terminar más
cerca del Detector de Movimiento que 0.4 m.
18. Haz clic en
para iniciar la adquisición de datos y dale al bloque un empujón de modo
que se deslice hacia el Detector de Movimiento. El gráfico de velocidad debe tener una
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porción con una variación decreciente lineal correspondiente al movimiento libre de
deslizamiento del bloque. Repite el procedimiento si fuera necesario.
19. Escoge una región del gráfico Velocidad vs. Tiempo que muestre la velocidad decreciente del
bloque. Selecciona la región lineal. La pendiente de esta sección del gráfico de velocidad es la
aceleración. Arrastra el puntero sobre esta sección y determina la pendiente hacienda clic en
el botón de Ajuste Lineal . Registra este valor de aceleración en tu tabla de datos.
20. Repite los Pasos 18 – 19 cuatro veces más.
21. Coloca masas hasta alcanzar 500 g sobre el bloque. Fija las masas de modo que no se
muevan. Repite los Pasos 18 – 19 cinco veces para el bloque con las masas. Registra los
valores de la aceleración en tu tabla de datos.
TABLA DE DATOS
Parte I Fricción de Partida
Masa del bloque
kg
Parte II Cresta de la Fricción Estática y Fricción Cinética
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Masa
Total (m)
Fuerza
Normal
(N)
Masa
Total (m)
Fuerza
Normal
(N)
Cresta de la fricción estática
Ensayo 1
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
cresta de
fricción
estática
(N)
Fricción Cinética
Ensayo 2
Ensayo 3
Promedio
Fricción
cinética
(N)
Ensayo 1
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Fricción Estática y Cinética
Parte III Fricción Cinética
Datos: Bloque sin masa adicional
Ensayo
Aceleración
2
(m/s )
Fuerza de fricción
cinética
(N)
k
1
2
3
4
5
Promedio del coeficiente de fricción cinética:
Datos: Bloque con 500 g de masa adicional
Ensayo
Aceleración
2
(m/s )
Fuerza de fricción
cinética
(N)
k
1
2
3
4
5
Promedio del coeficiente de fricción cinética:
ANÁLISIS
1. Estudia la impresión o el dibujo del gráfico de Fuerza vs. Tiempo de la Parte I. Etiqueta la
porción del gráfico correspondiente al bloque en reposo, el instante cuando el bloque justo
comienza a moverse y el tiempo durante el cual el bloque se movió a velocidad constante.
2. Usando aún el gráfico Fuerza vs. Tiempo que creaste en la Parte I, compara la fuerza
necesaria para mantener el bloque deslizándose con la fuerza necesaria para iniciar el
deslizamiento. ¿Cómo es tu respuesta comparada con la que diste a la pregunta 1 en la
sección Preguntas Preliminares?
3. El coeficiente de fricción es una constante que relaciona la fuerza normal entre dos objetos
(bloque y mesa) y la fuerza de fricción. Basado en tu gráfico (Serie 1) de la Parte I, ¿Podrías
esperar que el coeficiente de fricción estática sea mayor que, menor que o el mismo que el
coeficiente de fricción cinética?
4. Para la Parte II, calcula la fuerza normal de la mesa sobre el bloque, con él solo y con cada
combinación de masas añadidas. Como el bloque está sobre una superficie horizontal, la
fuerza normal será igual en magnitud y opuesta en dirección al peso del bloque y a las masas
que tiene sobre él. Completa las entradas Fuerza Normal en las dos tablas de datos de la Parte
II.
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5. Elabora un gráfico de la fuerza de fricción estática máxima (eje vertical) vs. la fuerza normal
(eje horizontal). Usa el Logger Pro o papel para gráficos.
6. Como Fmáxima estática = e N, la pendiente de este gráfico es el coeficiente de fricción estática
e. Encuentra el valor numérico de la pendiente, incluyendo las unidades. ¿Debería pasar por
el origen la línea ajustada a estos datos?
7. En una forma gráfica similar, encuentra el coeficiente de fricción cinética c. Crea un gráfico
de Fuerza de fricción cinética promedio vs. Fuerza normal. Recuerda que Fcinética = c N.
¿Debería pasar por el origen la línea ajustada a estos datos?
8. Tus datos de la Parte III también te permiten determinar c. Dibuja el diagrama de cuerpo
libre para el bloque deslizándose. La fuerza de fricción cinética se puede determinar de la
segunda ley de Newton, o F = ma. De la masa y la aceleración, encuentra la fuerza de
fricción para cada ensayo y escribe su valor en la tabla de datos.
9. De la fuerza de fricción, determina el coeficiente de fricción cinética para cada ensayo y
escribe los resultados en la tabla de datos. Calcula también el valor promedio del coeficiente
de fricción cinética para el bloque y para el bloque con masas añadidas.
10. ¿ Depende el coeficiente de fricción cinética de la velocidad? Explica usando tus datos
experimentales.
11. ¿Depende la fuerza de fricción cinética del peso del bloque? Explica.
12. ¿Depende el coeficiente de fricción cinética del peso del bloque?
13. Compara tus coeficientes de fricción cinética determinados en la Parte III con los
determinados en la Parte II. Discute los valores. ¿Esperas que sean los mismos o diferentes?
EXTENSIONES
1. ¿Cómo se ve afectada la fuerza de fricción o el coeficiente de fricción por el área de la
superficie del bloque? Diseña un experimento que pueda validar tu hipótesis.
2. Examina la fuerza de fricción estática de un objeto sobre un plano inclinado. Encuentra el
ángulo que produce el inicio del deslizamiento del bloque de madera. Calcula el coeficiente
de fricción y compáralo con el valor que obtuviste cuando el ángulo del plano inclinado es 0°.
3. Trata de cambiar el coeficiente de fricción aplicando cera de velas o cera para pulir muebles a
la mesa. ¿En cuánto cambia?
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