Fricción durante la rotación pura

Ambos son correctos... en el entorno en el que son correctos.

Si tengo un objeto que gira a un ritmo constante a lo largo de una superficie perfectamente plana sin fricción con el aire, tiene razón en que no debe haber fuerza de fricción. Si lo hubiera, sería una fuerza sin oposición y el objeto disminuiría su velocidad. Debido a que el objeto no se desliza, si disminuye la velocidad, tiene que girar más lento, lo que viola las suposiciones iniciales que hicimos.

Por otro lado, considere un objeto que acelera sin resbalar, como una pelota que comienza a rodar por una rampa. En esta situación, la aceleración aumenta la velocidad de rotación requerida para lograr la restricción de no deslizamiento. Esto significa que debemos tener un par de torsión sobre el objeto, lo que significa que debemos tener una fuerza que no pase por el centro de masa del objeto. La única válida es la fricción, por lo que tiene razón: habrá una fuerza de fricción opuesta a la dirección del movimiento porque crea el par necesario para aumentar la velocidad de rotación.

La diferencia en las situaciones son las aceleraciones y/u otras fuerzas además de la fricción que están en la imagen.

En cuanto a una tercera mano, recomendaría un video muy agradable Smarter Every Day sobre qué tan rápido funcionan las cosas. No se trata exactamente del mismo concepto, pero está cerca. ¡Y siempre estoy feliz cuando un científico capacitado se confunde acerca de las cosas que me confunden a mí!

Me han dicho que durante la rotación pura, la fricción actúa de manera opuesta a la velocidad del centro de masa (acompañada de un cambio de normal) y la ralentiza.

Esto es incorrecto. ¡La fricción estática es independiente de la dirección de rodadura!

Tres situaciones a tener en cuenta:

1. Rodando sobre una superficie plana (sin fuerza neta). Imagina hacer rodar una bola de billar sobre un suelo horizontal y duro. Como ya sabéis, sólo nos interesa mirar el punto de contacto. Aquí es donde puede ocurrir el deslizamiento, por lo que aquí es donde puede aparecer la fricción estática para tratar de evitar dicho deslizamiento.

Ahora, al rodar horizontalmente, están la fuerza normal, el peso y… ya está. La fricción estática es una fuerza que solo aparece si hay algún riesgo de deslizamiento que debe evitarse, pero dado que no hay fuerzas que intenten hacer que el punto de contacto se deslice (el peso y la fuerza normal se equilibran), entonces no tiene sentido. fricción estática. No hay nada contra lo que la fricción estática se detenga. Entonces la fricción estática es cero (no existente) .

2. Rodando hacia arriba. Imagina una canica rodando en un recipiente de vidrio rugoso. En su camino hacia arriba, la gravedad tira hacia abajo e intenta hacer que el punto de contacto se deslice. Entonces aparece la fricción estática para mantener fijo el punto de contacto. Por supuesto, tira hacia arriba para equilibrar la gravedad.

3. Rodando hacia abajo. La canica continúa hacia arriba cada vez más despacio, se detiene brevemente y comienza a rodar hacia abajo cada vez más rápido. Mirando el punto de contacto, la gravedad todavía tira hacia abajo y todavía trata de hacer que el punto de contacto se deslice. Entonces, para mantenerlo fijo, aparece la fricción estática y tira hacia arriba para equilibrar la gravedad.

El hecho de que la dirección de rodadura sea hacia abajo no hace ninguna diferencia. La fricción estática parece evitar el deslizamiento, y el deslizamiento solo depende de las fuerzas que están presentes. No en el movimiento o la dirección.

Y ahora algunas frases tuyas para ser un poco más agudas con...

El punto de contacto no se desliza, por lo que no se requiere fricción.

Tenga cuidado en esta oración. Si se deslizara, entonces la fricción cinética se haría cargo, sí. Pero antes de que se deslice, la fricción estática puede estar presente. Incluso si algo no se desliza todavía, la fricción estática aún puede estar allí, como vimos en los ejemplos anteriores.

Las cosas no continúan para siempre; La fricción debe estar presente para reducir la velocidad.

También tenga cuidado aquí.

En primer lugar, las cosas continúan para siempre. Una nave espacial a la deriva o un satélite en órbita, continúa para siempre. Nada los detiene.

En segundo lugar, otras fuerzas además de la fricción pueden ralentizar las cosas. Por ejemplo, la resistencia del aire que frena a un paracaidista. Y en el caso de una rueda, la compresión y flexión de una rueda de goma blanda y el desplazamiento de una superficie blanda (piense en conducir la bicicleta en una playa de arena) son factores que absorben energía. Esta energía se toma de la energía cinética del movimiento y, por lo tanto, ralentiza el rodamiento sin que la fricción sea la causa principal.

Todos estos factores se combinan en un parámetro llamado fricción de rodadura . Se llama "fricción" porque da el mismo resultado que otras fricciones, ralentizando el movimiento, pero en realidad no es una fricción sino solo un término para las fuentes de pérdida de energía.

1. Rotación pura de la rueda en el espacio exterior: girará para siempre.

2. Rotación pura en el espacio exterior más velocidad lineal CM: rotará para siempre y CM se moverá para siempre.

3. Igual que (1) en una mesa sin fricción: girar para siempre.

4. Igual que (2) en una mesa sin fricción: gira para siempre y muévete para siempre.

5. El comportamiento sobre una mesa con rozamiento depende de las condiciones iniciales y de los coeficientes de rozamiento. Por ejemplo, deje caer una rueda giratoria sobre la mesa, la fricción acelerará el CM y desacelerará la rotación. Pero empuja una rueda que no gira sobre la mesa, la fricción desacelerará CM y acelerará la rotación.

Después de investigar un poco y leer las otras respuestas, pensé que sería mejor compilar todo en una sola respuesta.

La fricción de rodadura es la oposición a la rodadura causada por escenarios no ideales como el viento, la suavidad de la pelota, las deformidades, los frenos (en el automóvil). La fricción estática es la fricción que se opone a la tendencia del movimiento relativo.

En lugar de una pelota, considere un automóvil de la vida real que se mueve en una pista recta.
Caso 1 : El motor está apagado .
Aquí los casos no ideales (como un rollo no perfecto y una superficie blanda) reducen la velocidad del automóvil y eventualmente se detiene. Como la aceleración lineal ($a$) disminuye, la fricción estática actúa de manera opuesta al movimiento del automóvil para disminuir la frecuencia de rotación de las ruedas y mantener la ecuación$a=\alpha r$. La fricción estática siempre trata de lograr un balanceo puro y termina ralentizando el coche.
Si considera que no hay fricción de rodadura, entonces, el automóvil ya está rodando puramente y no actuará la fricción estática. Y por lo tanto, el coche seguirá para siempre.

Caso 2 : El auto está acelerando .
Aquí el motor está aumentando la frecuencia de rotación de las ruedas. Entonces, el punto de contacto tiene tendencia a deslizarse en lugar de rodar (ya que la aceleración lineal del automóvil no es suficiente para satisfacer$a=\alpha r$). Entonces, la fricción estática actúa en la dirección del movimiento del automóvil, de modo que aumenta la aceleración lineal y se mantiene la ecuación. Entonces, la fricción estática aquí le da aceleración al automóvil. Pero la fricción de rodadura todavía actúa para oponerse al movimiento como las fuerzas disipativas no ideales ya mencionadas.

Caso 3 : El automóvil está desacelerando .
Aquí, la frecuencia de rotación de las ruedas se ralentiza por los frenos. La fricción estática quiere que la aceleración lineal también baje para mantener el balanceo puro. Entonces actúa de manera opuesta al movimiento del automóvil. La fricción de rodadura aquí todavía se opone a la rotación de la rueda.