Fricción que actúa entre la carretera y los neumáticos de un automóvil

Entonces, ¿cómo se les ocurrió ese DCL para mostrar que solo hay una fuerza de fricción en la dirección opuesta al movimiento del automóvil?

No hay necesariamente una sola fricción estática hacia adelante. El solo hecho de que haya cuatro ruedas implica más de una. Pero la suma de todas las fuerzas de fricción estáticas es lo que se dibuja en el diagrama de fuerzas de cuerpo libre.

Y esa suma debe ser al revés. Algunas fuerzas de fricción estáticas locales aquí y allá pueden estar apuntando hacia adelante, pero la suma total debe ser hacia atrás. No hay otras fuerzas horizontales, por lo que si esta fuerza de fricción estática total no se dirigiera hacia atrás, el automóvil no disminuiría la velocidad, no habría una aceleración hacia atrás (esta es la segunda ley de Newton).

Además, cuando se aplican los frenos, la pastilla de freno presiona contra las ruedas, ¿verdad? ¿Cómo explica la interacción entre la pastilla de freno y las ruedas la fricción entre las llantas y el camino que han mostrado en este diagrama de cuerpo libre?

Las almohadillas aplican fricción a la rueda (dentro de la llanta). Esta fuerza de fricción se traduce en un par que ralentiza la rotación de la rueda. Esta rotación de rueda más lenta ahora significa una velocidad periférica de rueda más lenta.

Una rueda rodante que no patina tiene una velocidad periférica de la rueda que coincide exactamente con la velocidad (relativa) de la superficie. De lo contrario, cada punto de la rueda no estaría quieto en la superficie en el momento momentáneo en que toca la superficie. Y entonces no estaría rodando, sino deslizándose.

^{Fuente: Academia All That Matters}

Con la velocidad periférica de la rueda igualando la velocidad superficial (relativa), todo está bien. Pero tan pronto como la rueda se desacelera, esas dos velocidades ya no están sincronizadas. La fuerza de fricción estática aparece y reduce la velocidad del automóvil, por lo que la velocidad de la superficie (relativa) aún coincide e iguala la velocidad de la periferia de la rueda.

¿Cómo es posible que la aplicación de los frenos mantenga el automóvil a punto de deslizarse?

Como se mencionó, las pastillas de freno crean una fuerza de fricción cinética en el borde interior de la rueda. Cuando presiona el pedal de freno, esas pastillas se empujan con más fuerza sobre la llanta. La fuerza de fricción cinética es :

$$f_k=\mu_k n$$

donde la fuerza normal$n$es la medida de la fuerza con la que se presionan las almohadillas sobre la superficie. Cuando se presiona con más fuerza, el material de la llanta debe ejercer una fuerza normal mayor$n$para no evitar doblarse o romperse, y así$n$aumenta Por lo tanto, la fuerza de fricción cinética$f_k$aumenta

Y cuando esa fricción cinética aumenta, el par de torsión que se contrarresta debido a esa fuerza de fricción aumenta. Use la segunda ley de Newton en su versión rotacional para ver que un mayor contratorque provoca una aceleración angular negativa mayor y, por lo tanto, una desaceleración más rápida de la rotación de la rueda.

Y por lo tanto, una desaceleración más rápida del propio automóvil, ya que aparece una mayor fricción estática en la rueda y el suelo para evitar cualquier deslizamiento de la rueda sobre el suelo. Cuanto más presione el pedal de freno, mayor será la fricción estática: se puede ajustar con la presión del pedal.

Recuerde que la fricción estática tiene un límite :

$$f_s\leq\mu_s n$$

La fricción estática requerida para reducir la velocidad del automóvil para que la rueda no patine debe ser inferior a este límite máximo. Si frenas con más fuerza, la fricción estática aumenta, pero no hay problema si te mantienes por debajo de este límite. El coche reducirá la velocidad más rápido como se esperaba.

Pero, si frena tanto, que la fricción estática debe aumentar más de lo que le es posible (debe aumentar por encima de su límite máximo para provocar la desaceleración del automóvil que se requiere para evitar el deslizamiento de las ruedas), entonces puede ' no lo hagas Entonces la fricción estática cede. Entonces se hace cargo la fricción cinética entre la rueda y el suelo. Y esto significa deslizamiento y quema de caucho.

Por lo tanto, el frenado más eficaz es el mayor posible y por debajo de este límite. En otras palabras: el frenado más efectivo está al borde de este límite de fricción estática .

Si intenta alcanzar este límite mientras frena, es posible que lo supere, y luego sentirá una pérdida repentina de tracción cuando la fricción estática desaparezca y la fricción cinética se haga cargo.