Efecto de la velocidad sobre la fricción cinética

Esta pregunta se ha hecho antes...

(¿ La fuerza de fricción cinética aumenta con la velocidad relativa de los objetos involucrados? Si no, ¿por qué no? ),

...pero hay una parte muy específica con la que estoy luchando, y no se aborda en esa publicación.

Parte de lo que causa la fricción es la ruptura de crestas microscópicas en los materiales que se deslizan entre sí, protuberancias que se enganchan y necesitan ser desalojadas.

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Digamos que se necesita una cierta cantidad de fuerza para romper cada una de estas crestas.

Si las dos superficies se mueven más rápido entre sí, necesitarán desalojar más de estas protuberancias en la misma cantidad de tiempo. Entonces, me parece que la fricción cinética (al menos entre superficies rugosas) debería depender de la velocidad. Sin embargo, las explicaciones estándar dicen que no lo es.

¿Por qué?

¡Gracias!

La razón original por la que hice esta pregunta fue porque un problema en mi libro de física (Halliday Resnick Kline) nos pedía que encontráramos la aceleración de una rueda que patina, y la supuesta realización era que no importa cuál sea la velocidad angular actual de la rueda si se desliza, lo único que importa es la fuerza normal y el coeficiente de fricción cinética.

Respuestas (1)

La fuerza instantánea solo depende de cuántas crestas se estén rompiendo/deformando actualmente . Si la cantidad de crestas que se "atrapan" en un momento dado no depende de la velocidad, tampoco esperaría que la fuerza requerida lo haga. Si vas más rápido, pasas de un bache al siguiente en menos tiempo, pero eso no cambia la fuerza necesaria para atravesar el bache. El hecho de que esté atravesando más baches significa que necesita linealmente más potencia (romper más baches en la misma cantidad de tiempo requiere proporcionalmente más energía), pero eso es consistente con un coeficiente constante de fricción cinética: potencia es fuerza tiempo velocidad.

Solo señalaría que no existe una ley física fundamental que diga que el coeficiente de fricción cinética no puede depender de la velocidad. Es un hecho empírico que para la mayoría de los materiales, antes de que se calienten demasiado, no depende mucho de la velocidad . Pero es bueno que el modelo de pequeñas crestas, cada una de las cuales requiere una cierta cantidad de fuerza para desalojarlas, no prediga un comportamiento muy diferente.
Gracias por su respuesta, y probablemente sea mi culpa, pero realmente no lo entiendo. Para mí, el hecho de que la fuerza instantánea no cambie no debería tener nada que ver. Quiero decir, si tienes un auto conduciendo contra el viento, y la superficie del auto no cambia, en cualquier instante la misma cantidad de partículas de viento estarán golpeando el auto. Pero más viento significa mayor resistencia a su movimiento, una mayor fuerza. Creo que lo que quieres decir es que la cantidad de impulso necesaria para romper un bache no cambia, pero si se rompen más baches por segundo, la fuerza sería aún mayor.
Me imagino la cantidad de energía requerida para romper cada golpe para que sea constante; eso es lo que se llama la dureza de un material. Esto proviene de suponer que se necesita una cierta cantidad de fuerza para provocar una desviación, y se requiere una desviación de un tamaño determinado para hacer la ruptura.
La fuerza de arrastre en un automóvil aumenta con la velocidad, en realidad como velocidad al cuadrado. Cada partícula de aire imparte un cierto impulso y, a medida que aumenta la velocidad, ese impulso crece linealmente al igual que el número de colisiones por unidad de tiempo. Con la fricción por deslizamiento, el impulso de romper cada bache disminuye al aumentar la velocidad, porque se aplica la misma fuerza durante un tiempo más corto. Entonces, el aumento de golpes por unidad de tiempo se equilibra con la disminución del impulso por golpe.
Gracias Ben, estoy votando tu respuesta, pero todavía estoy confundido. ¿Por qué los baches son más fáciles de romper con el aumento de la velocidad? ¿Qué quiere decir que se aplica la misma fuerza durante un tiempo más corto...?
Si decimos que cada bache ejerce una cantidad determinada de fuerza resistiva, y esa fuerza se mantiene durante una cierta distancia (lo suficientemente lejos como para liberarse del bache), entonces la fuerza se aplica durante un tiempo más corto cuando te mueves más rápido: la misma distancia en mayor velocidad es igual a menos tiempo. Diría que los baches no son más fáciles de romper con el aumento de la velocidad: son igualmente duros y requieren la misma cantidad de energía para romperlos; pero eso equivale a una menor transferencia de impulso por bache.
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