Supongamos que tengo una pequeña masa m descansando sobre una gran losa de masa M descansando sobre una mesa. Hay una fuerza de fricción entre la pequeña masa y la losa, pero no entre la losa y la mesa. Supongamos que ahora aplico una fuerza F a la pequeña masa de modo que la fricción estática entre la pequeña masa y la losa no se exceda, y se muevan juntas.
Ahora, si tomo la vista de la tabla como mi marco de referencia inicial, obtengo correctamente que el aumento en la energía cinética del sistema masa/losa es igual al trabajo realizado por la fuerza aplicada (que se encuentra al integrar la fuerza con el desplazamiento). Todo esto está muy bien pero...
Hay algo que me está molestando: me han enseñado que una fuerza realiza trabajo cuando el punto de aplicación de la fuerza se mueve una cierta distancia. De hecho, cuando considero la fuerza aplicada F y estoy sentado en mi marco de referencia inercial (mesa), el punto de aplicación de la fuerza de fricción también se mueve a través de algún desplazamiento. Sin embargo, no realiza trabajo en este sistema (como se verifica mediante el cálculo de que la ganancia de energía cinética de la masa y la losa es igual al trabajo realizado por la fuerza aplicada). ¡No entiendo de dónde surge esta discrepancia en mi comprensión!
Pensando en esto, consideré algunos casos. El primer caso fue una sola masa que se arrastraba sobre un piso con fricción. Luego, vería que tanto la fuerza aplicada como la fuerza de fricción han realizado trabajo, y obtendría la cantidad correcta de trabajo realizado por cada uno integrando la fuerza con el desplazamiento del marco de referencia inercial de mi mesa. Lo mismo se aplicaría si ahora considero esta masa única como mi sistema de masa/losa donde no hay deslizamiento y una fuerza de fricción con el piso. Entonces, pensándolo de esta manera, parece que solo puedo explicar el trabajo realizado por una fuerza de fricción cuando hay movimiento relativo entre los dos objetos entre los que actúa la fuerza de fricción. Esto tiene sentido para mí.
Sin embargo, siento que hay un principio importante subyacente a esto. ¿Por qué existe esta diferencia fundamental entre una fuerza de fricción y la fuerza aplicada? ¿Qué otras fuerzas exhiben esta discrepancia?
Además, parece ser que los marcos de referencia tienen algo que ver con esto. Si me transporto al marco de referencia de la losa sobre la que ahora se desliza la masa, de hecho veo que la fuerza de fricción entre la masa y yo funciona, ya sea que esté acelerando o no.
No estoy muy seguro de a dónde voy con nada de esto y estaría muy agradecido por la aclaración de:
En el primer escenario, la fuerza de fricción realiza trabajo sobre la masa pequeña y también realiza trabajo (en la dirección opuesta) sobre la masa grande (según el marco de referencia del laboratorio). La fuerza aplicada menos la fuerza de fricción es igual a la aceleración de la pequeña masa. La fuerza aplicada no realiza trabajo sobre la gran masa, solo la fuerza de fricción de reacción realiza trabajo sobre la gran masa. Y su aceleración es la misma que la de la pequeña masa.
En el primer caso, es cierto que la fuerza de fricción está realizando un trabajo sobre la pequeña masa. Si elige considerar un marco en el que solo consta de la masa pequeña, la integración de la fuerza aplicada La fuerza de fricción . será igual al cambio en la energía cinética de la masa pequeña solamente .
En todo el sistema, el trabajo realizado por la fuerza de fricción sobre la masa pequeña es igual al trabajo realizado por ella sobre la masa más grande (ya que actúan en direcciones opuestas, por supuesto). Por lo tanto, no lo tiene en cuenta al aplicar el Teorema del trabajo y la energía.