¿Cuál es la causa de la fricción de rodadura? y ¿por qué es menor que la fricción por deslizamiento?

"Fricción de rodadura" es un nombre inapropiado. Nunca te confundas con eso. No es fricción. Su RESISTENCIA AL RODAJE, el nombre correcto. Entra en juego porque los objetos no son perfectamente rígidos en la vida real. Entra en juego debido a la deformación de la forma de los objetos cuando están en contacto. Cuando un objeto rueda sobre otro SIN resbalar, existe una superficie de contacto entre ambos.

Es la reacción normal que es responsable mirar el diagrama. Un cuerpo que rueda como este (en el diagrama) se deforma y las fuerzas normales en las partes frontales de la superficie son siempre mayores (ya sea que el camino sea duro o blando) y da como resultado una fuerza neta hacia atrás que detendrá gradualmente el cuerpo que rueda. La deformación depende de la naturaleza de los dos cuerpos, en función de su rigidez. La resistencia a la rodadura suele ser menor que la fricción estática. Ambos se expresan de la misma forma donde los coeficientes se denominan coeficiente de resistencia a la rodadura y coeficiente de rozamiento estático. Experimentalmente, se encuentra que el coeficiente de resistencia a la rodadura es menor que el coeficiente de fricción estática para cuerpos con la misma masa. Los coeficientes se determinan experimentalmente.

Hay varios componentes para la "fricción de rodadura".

En primer lugar, está el cojinete de la rueda que inevitablemente tendrá algo de fricción (aunque un cojinete bien diseñado tiene muy poca).

A continuación, si se utilizan neumáticos ordinarios (o simplemente de goma dura), el peso de la "carga" hará que la goma se deforme. El caucho es un material "viscoelástico", lo que significa que al flexionarlo se pierde energía en forma de calor. Esta energía perdida debe ser a su vez "reemplazada" drenando energía de la rueda rodante (es decir, fricción).

Además, cuando el neumático se flexiona, la goma se "retuerce" y roza contra la calzada. Este "retorcimiento" es peor cuanto más se flexiona el neumático y también se ve afectado por el perfil de la sección transversal del neumático.

Por otro lado, si la rueda es más dura que la carretera, la carretera se flexionará y prácticamente todos los materiales de pavimentación (especialmente el asfalto) absorben energía a medida que se flexionan, de forma similar al caucho.

Finalmente, si el camino y la rueda son perfectamente duros, cualquier aspereza en el camino (o en la periferia de la rueda) hará que la carga rebote hacia arriba y hacia abajo. La mayoría de las cargas (especialmente los humanos) se flexionarán a medida que suben y bajan, y se perderá energía debido a la elasticidad imperfecta.

La energía perdida (y por lo tanto la fricción) se puede minimizar usando un neumático con paredes muy delgadas, de modo que prácticamente toda la flexión ocurra en el aire del neumático (con muy poca pérdida), eligiendo un perfil de neumático que minimice el "retorcimiento", luego usando una presión de los neumáticos lo suficientemente alta como para minimizar la flexión de los neumáticos, pero lo suficientemente baja como para minimizar la flexión de la calzada y el rebote de la carga. Por supuesto, tal combinación de llantas puede no ser ideal para la tracción y la durabilidad, ni necesariamente producirá una conducción cómoda.

(Tenga en cuenta que los ferrocarriles esencialmente tienen una "llanta" "perfectamente" dura y también una "carretera" "perfectamente" dura. Si los rieles son lisos y están soldados continuamente, la fricción de rodadura es muchas veces menor que, por ejemplo, las llantas de un camión en una carretera. Agregue el hecho de que la resistencia al viento se reduce debido a que los vagones se atan uno tras otro y puede ver que el transporte ferroviario es bastante eficiente energéticamente).

En primer lugar, creo que es mejor que dibujemos diagramas de cuerpo libre y escribamos ecuaciones de movimiento relacionadas con una motocicleta (por ejemplo). Considere que la motocicleta se mueve con aceleración$a$en un camino rígido. Suponga que las ruedas de la motocicleta también son rígidas. La rueda trasera es conductora. ($T_e$es el par motor y$R$es el radio de las ruedas) El diagrama de cuerpo libre de la rueda trasera es el siguiente:

No siempre hay camino suave. ¿Qué sucede en el camino difícil?

La fricción siempre impide el movimiento relativo de las superficies en contacto. La rueda del conductor (rueda trasera en el caso anterior) tiende a girar debido al par ejercido por el motor ($T_e$). Entonces, la fuerza de fricción ($f_r$) actúa en una dirección opuesta a la rotación de la rueda . La rueda motriz (rueda delantera en el caso anterior) tiende a trasladarse debido a la fuerza que le transmite el chasis ($F_2$). Entonces, la fuerza de fricción ($f_f$) actúa en una dirección opuesta a la traslación de la rueda . Podemos ver todo esto en los diagramas anteriores sin suponer que el camino es blando.

¿Cómo proporciona la cresta fricción de rodadura en la dirección opuesta a la de rodadura?

Como puede ver en los diagramas de cuerpo libre de las ruedas, no es necesario tener una cresta para que exista fuerza de fricción. Basta que dos cuerpos estén en contacto y tiendan a moverse uno respecto del otro.

¿Por qué la fricción de rodadura es menor que la fricción de deslizamiento?

no estoy de acuerdo La fricción de rodadura no es siempre menor que la fricción de deslizamiento . Debido a que la fricción de rodadura es fricción estática, mientras que la fricción de deslizamiento es fricción cinética y sabemos$\left(f_s\right)_{\textrm{max}}\gt f_k$. Probablemente, el libro significa que " por lo general , la fricción de rodadura es menor que la fricción estática máxima ($\left(f_s\right)_{\textrm{max}}$) y la fricción por deslizamiento ($f_k$)”. Pero, no es así siempre. Para comprobar este asunto necesitamos datos numéricos. Desafortunadamente, no pude encontrar mucha información, pero al obtener ayuda de algunos datos que encontré en los sitios a continuación, podemos hacer una comparación simple.

$\mu_s$y$\mu_k$de: https://en.wikibooks.org/wiki/Physics_Study_Guide/Frictional_coficients

Par máximo, masa de la motocicleta y radio de rueda de: http://www.yamaha-motor.eu/eu/products/motorcycles/hyper-naked/mt-10.aspx?view=featurestechspecs

Primero, considere el movimiento uniforme en línea recta (supongo que el libro ha mencionado este caso). Suponga que una motocicleta Yamaha MT-10 se mueve con su par máximo a una velocidad constante (velocidad máxima). Además, suponga que la masa del ciclista es$60\;\mathrm{kg}$. De la ecuación$4$, como$\alpha=0$, tenemos

$\left(T_e\right)_{max}=111\;\mathrm{Nm}$

$R=0.22\;\mathrm m$

$M=270\;\mathrm{kg}$($M$es la suma de las masas de motocicletas y ciclistas)

$\mu_s=0.85$

$\mu_k=0.67$

Entonces, obtenemos

$N_r=\large{\frac{Mg}2}=1350\;\mathrm N$

y por lo tanto

$\left(f_s\right)_{\textrm {max}}=\mu_sN_r=1148\;\mathrm N$

Y

$f_k=\mu_kN_r=905\mathrm N$

Entonces, obviamente$f_r$es mucho menos que$f_k$y$\left(f_s\right)_{\textrm {max}}$

No hay necesidad de hacer cálculos para comparar en el caso de que la motocicleta se mueva con aceleración. Porque, si el ciclista usa la máxima aceleración posible para iniciar el movimiento desde el reposo sin deslizarse; entonces ciertamente$f_r$se convertirá$\mu_sN_r$eso es obviamente mayor que$\mu_kN_r$

Puede afirmar que “es posible que si calculamos esa aceleración máxima asumiendo$f_r=\mu_sN_r$, no es compatible con el par máximo del motor”. Es decir, la aceleración máxima posible no garantiza que$f_r=\mu_sN_r$. Esta afirmación es válida y puede verificarla mediante datos numéricos (si los tiene), pero sabemos experimentalmente que si giramos demasiado la palanca del acelerador y de repente, la rueda trasera seguramente se deslizará (¡tenga en cuenta que tenemos una Yamaha MT-10! )

Imagine una rueda que gira en el sentido de las agujas del reloj (el coche se mueve hacia la derecha). En el punto de contacto con el suelo, ese punto de la rueda se estará moviendo hacia la izquierda, por lo que el rozamiento será hacia la derecha (es lo que hace que el coche avance).

Sobre por qué el rozamiento de rodadura suele ser mayor que el estático. Es porque la fricción estática (la fricción de rodadura es una forma de fricción estática) puede tener un valor máximo de hasta$\mu_{static} N$. Hasta, pero por lo general menos. Imagine una masa en reposo sobre una mesa sin que se le apliquen fuerzas horizontales. En tal caso, la fricción estática es cero y comenzará a aumentar hasta un máximo si comienza a empujar la masa horizontalmente. Una vez que alcance la fricción estática máxima, la masa comenzará a moverse. Ahora la fricción es la dinámica, y es constante.$F_{sliding}=\mu_{dynamic}N$. Normalmente$\mu_{dynamic}<\mu_{static}$, por lo que la fricción por deslizamiento suele ser menor que la fricción estática máxima posible.

La fricción por rodadura tiene un origen complejo a diferencia de la estática y la fricción por deslizamiento. Durante el rodamiento, las superficies en contacto se ponen un poco momentáneamente, y esto da como resultado que un Donnie (no un punto) del cuerpo esté en contacto con la superficie. El efecto neto es que la componente de la fuerza de contrato paralela a la superficie se opone al movimiento.