¿Por qué la fricción es cero cuando el deslizamiento de las ruedas es cero? [duplicar]

De la mayoría de los gráficos, cuando el neumático no se desliza, la fricción es cero, por ejemplo, vea la imagen a continuación

¿Por qué no hay fricción cuando no hay deslizamiento? A medida que el automóvil se detiene en la pendiente, no hay deslizamiento, pero aún hay fricción que mantiene al automóvil contra la gravedad.

deslizamiento de rueda

Si busca deslizamiento de neumáticos, todos los gráficos son similares a este, es decir, fricción muy baja con una relación de deslizamiento baja
@JohnRennie El trabajo realizado por la fuerza de fricción de la carretera debe ser incluso distinto de cero, de lo contrario, el automóvil perdería energía cinética debido a la fricción en el aire.
La confusión proviene de cómo se define el porcentaje de deslizamiento. Es una relación y cuando un automóvil está estacionado, el numerador y el denominador son cero y el porcentaje de deslizamiento no está definido.
¿Puede proporcionar un enlace a su fuente?
@WhatRoughBeast Si eso fuera para mí, no tenía una fuente en particular en ese momento (solo estudié la dinámica de neumáticos y vehículos durante aproximadamente 8 años), pero aquí hay una buena que tiene gráficos similares y buenas definiciones: www- cdr.stanford .edu/dynamic/WheelSlip/SlmillerGerdesACC.pdf
@Rick: como no puede proporcionar una fuente, supongo que usted mismo generó la curva y se equivocó en el eje vertical. Por favor, presta mucha atención al enlace que me enviaste. El eje vertical es la fuerza, no la fricción, y las curvas húmedo/seco representan el comportamiento para dos valores diferentes de fricción (las carreteras se vuelven resbaladizas cuando están mojadas). Entonces, su pregunta (basada en la figura) debería ser "¿por qué no hay deslizamiento cuando no hay fuerza?", Y esa es muy fácil. Intente buscar en Google "curva de deslizamiento de fuerza" y compare los resultados con "curva de deslizamiento de fricción".
@WhatRoughBeast Lo siento, creo que su pregunta original estaba destinada al OP, pero respondí sin saber a quién le estaba preguntando. Asumí el " F r i C t i o norte [ m ] "El eje era la fuerza de fricción total dividida por la carga normal, lo que la hace proporcional a la fuerza de fricción, por lo que la distinción es en su mayoría irrelevante. Solo busqué en Google ambos, pero en su mayoría arrojaron los mismos resultados y los gráficos que eran únicos para cada uno la búsqueda aún se veía más o menos igual.¿Qué diferencias se suponía que debíamos notar el OP o yo?
@WhatRoughBeast Además, el OP menciona específicamente el escenario del automóvil estacionado en una colina donde la fuerza no es cero pero el deslizamiento absoluto es cero. Esa pregunta sigue siendo confusa, independientemente de si se trata de una "curva de deslizamiento de fricción" o una "curva de deslizamiento de fuerza", la pregunta solo se resuelve cuando te das cuenta de que es una "curva de relación de fricción / fuerza vs deslizamiento".
@Rick: lo siento, quise responder al OP. Mis disculpas. Cuando se da cuenta de que cada curva representa un comportamiento para una fricción diferente, su pregunta se vuelve obvia: en la condición estacionada, no hay movimiento de las ruedas y, por lo tanto, no hay deslizamiento (hasta que la pendiente se vuelve lo suficientemente empinada como para que el automóvil se caiga de la colina).
@WhatRoughBeast, ¿qué quieres decir con mi "una fricción diferente"?
@Rick: lo siento, una condición de diferente coeficiente de fricción. La curva superior es "Seca" e indica una interfaz seca entre la carretera y el neumático. La curva inferior es "Húmeda" e indica una condición húmeda. La fricción efectiva de los neumáticos es menor en condiciones húmedas que en condiciones secas. Esta es la razón por la cual la curva seca requiere más fuerza (el eje vertical) para un ángulo de deslizamiento dado que la curva húmeda. Nuevamente, encuentre la fuente de sus curvas. El eje vertical es fuerza, no fricción. Las diferencias en la fricción están implícitas en las etiquetas seco/húmedo de las dos curvas.
@rick: esta pregunta es la original: ¡el duplicado es el que vinculaste! se hizo después de que se hiciera esta pregunta....
@tom Sé que esta pregunta se hizo primero, pero pensé que la otra pregunta se hizo con mayor claridad y se respondió con mayor claridad. Como tal, pensé que sería mucho más útil marcar esta pregunta como duplicada para dirigir a las personas a la mejor pregunta/respuesta. Creo que esta es la práctica generalmente aceptada: meta.stackexchange.com/a/10844/298895
@rick gracias por explicar... no me di cuenta de la etiqueta sobre eso...

Respuestas (3)

Para una rueda perfectamente redonda (idealizada) en una carretera perfectamente lisa, solo hay un único punto de contacto entre la rueda y la carretera en un momento dado. Si tuviera que trazar el movimiento de un solo punto en la superficie de la rueda a medida que gira y luego toca el suelo, vería que sigue una curva llamada cicloide . La imagen en ese artículo de wikipedia lo explica mejor de lo que yo podría. (*) Como puede ver en la imagen, el punto en la superficie de la rueda en realidad cambia de dirección cuando toca la carretera, por lo que en ese momento su velocidad instantánea es cero Debido a que es estacionario con respecto a la carretera, no hay fricción cinética .

Sin embargo, aún puede haber fricción estática , como si estuviera conduciendo el automóvil en una curva. En ese caso, es la fricción estática en la rueda lo que evita que resbale y lo mantiene siguiendo el camino curvo. (O fricción estática más una contribución de la gravedad si la curva está inclinada).

También hay fricción estática entre las ruedas y la carretera que hace que el automóvil acelere en primer lugar. (Supongo que comienza desde el reposo). Si la fricción entre las ruedas y el suelo fuera cero, las ruedas girarían en su lugar pero el automóvil nunca iría a ninguna parte.

(*) La imagen lo deja muy claro, pero si prefiere una explicación verbal: La rueda como un todo se mueve hacia adelante (en relación con la carretera), pero cuando el punto en la superficie de la rueda está en la parte inferior de su rotación, es moviéndose hacia atrás en relación con el centro de la rueda. El resultado es que el punto en la superficie de la rueda está estacionario (en relación con la carretera) cuando está en la parte inferior de su rotación.

De hecho, toda el área de contacto de un neumático del mundo real con la carretera tiene velocidad cero :-)
Todavía no puedo conseguirlo. ¿Es que un neumático antideslizante no puede mover un automóvil contra una fuerza externa, por ejemplo, el viento?
Lo siento, no entiendo el comentario. "Sin deslizamiento" para un neumático significa "girar de forma normal", de modo que un punto en la superficie del neumático sigue la curva cicloide. Todavía puede tener fricción estática en este caso, y esto es necesario para evitar resbalones al acelerar (por ejemplo, dar una vuelta, acelerar, desacelerar, etc.) Supongo que también resistiría el viento.
Gracias, puedo conseguirlo, pero todavía no está claro. Considere este ejemplo, un piñón engranado rueda sobre la cremallera sin deslizarse, pero aún puede proporcionar una fuerza de "fricción cinética" (una aceleración). Una rueda es un poco diferente, pero ¿podría la aspereza de la superficie proporcionar aceleración sin deslizamiento como cremallera y piñón?
Hmm, tampoco creo que un piñón y cremallera requiera fricción cinética. La fricción cinética surge cuando una superficie se desliza contra otra. Mirando la animación en este artículo, por ejemplo, no veo nada que describiría como deslizamiento: en.wikipedia.org/wiki/Rack_and_pinion
@CarlWitthoft A menos que el neumático no ejerza fuerza de tracción, el parche del neumático siempre se divide en regiones antideslizantes y deslizantes, por lo que no toda el área de contacto tiene velocidad cero.
@TimGoodman en un sistema de cremallera y piñón, el punto de contacto no siempre está directamente en la línea entre los centros de rotación y, por lo tanto, las superficies deben deslizarse una contra la otra. El movimiento es extremadamente pequeño, sin embargo, esta fricción cinética es de donde proviene la pérdida de potencia en los engranajes y por qué los engranajes necesitan lubricación.
Parece que esta respuesta afirma que el deslizamiento y el% de deslizamiento son siempre cero para los neumáticos. Si no, ¿cómo afecta el deslizamiento a la fuerza de fricción?
@Rick, entendí que la pregunta se refería al caso en el que no hay resbalón. "¿Por qué no hay fricción cuando no hay deslizamiento?" En ese caso (para una rueda idealizada, es decir, un círculo rodando sobre un plano) no puede haber fricción cinética debido al contacto entre la rueda y la carretera. Todavía puede haber fricción estática, como observo. También puede haber fricción cinética en el eje, pero no en el punto de contacto entre la rueda y la carretera (para neumáticos idealizados). Si hay deslizamiento, entonces habría fricción cinética.
@TimGoodman ¿Entonces interpretó el eje vertical del gráfico de la pregunta como un componente de fricción cinética que no incluye el componente de fricción estática?
@Rick Sí, de lo contrario no veo cómo tiene sentido la trama. Ciertamente no es el caso que el coeficiente estático de fricción sea cero cuando hay deslizamiento cero. Como señala el interrogador, puedes tener fricción estática incluso cuando estás completamente inmóvil en una pendiente.
@TimGoodman, el gráfico es de la fuerza de fricción total en el eje y, pero el eje x es el% de deslizamiento, no solo el deslizamiento, por lo que cuando un automóvil se acerca a un punto muerto, el% de deslizamiento se acerca a 0/0. 0/0 puede tomar cualquier valor dependiendo del contexto. Creo que es más apropiado que el eje se invierta, ya que en realidad es una cierta fuerza la que causará un cierto % de deslizamiento, pero luego el gráfico deja de ser una "función", por lo que la mayoría de la gente lo prefiere tal como es. Si estuviera orientado en esa dirección, veríamos que un automóvil estacionado en una colina tendría un porcentaje de deslizamiento distinto de cero, que es completamente preciso aunque no intuitivo.
@Rick La fuerza de fricción descrita en ese PDF (dada por la ecuación 2) es la fricción cinética, que llega a cero cuando la rotación de la rueda sigue su movimiento (es decir, cuando el numerador en la ecuación 1 y, por lo tanto, el deslizamiento , es cero). Pero el OP preguntó sobre el caso de un automóvil "parado en una pendiente". En ese caso hay fricción estática. El PDF y la trama no son incorrectos de ninguna manera, solo describen un vehículo en movimiento, no uno en reposo.
@Rick En realidad, incluso en el caso de un vehículo en movimiento a nivel del suelo, si no hay deslizamiento, entonces hay fricción estática entre la rueda y la carretera (porque el punto de contacto tiene una velocidad instantánea cero en la dirección horizontal). Es esta fricción la que convierte la rotación de las ruedas en movimiento hacia adelante. Si no hubiera fricción estática, entonces no podría haber movimiento hacia adelante sin deslizamiento. Pero el OP preguntó sobre un automóvil en una pendiente, donde hay fricción estática incluso en reposo para resistir la gravedad.
Si bien me estoy corrigiendo con pedantería, debo decir que podrías tener un movimiento hacia adelante incluso en el caso de fricción cero si salieras y empujaras. :) Pero si su motor solo hace girar las ruedas, entonces es solo debido a la fricción entre las ruedas y el suelo que esto se convierte en movimiento hacia adelante. Y si no hay deslizamiento, entonces es fricción estática.
@TimGoodman, la única forma de tener cero% de deslizamiento * es tener cero fricción. Esa es toda la premisa de esta pregunta. Si desea saber más acerca de por qué este es el caso, aquí se ha respondido bastante bien. Si desea ver una forma simplista de modelar este comportamiento, explico algunas matemáticas detrás de esto aquí .
* Por lo general, deslizamiento cero significa % de deslizamiento cero, pero cuando el vehículo no se mueve, el % de deslizamiento puede tomar cualquier valor. Esta es la razón por la cual el ejemplo del automóvil estacionado no se puede usar para refutar la afirmación (que es correcta) de que el % de deslizamiento cero requiere una fuerza de fricción cero. La razón por la cual la fricción estática pura no puede ocurrir mientras el neumático está en movimiento se explica en esos dos enlaces.
@Rick, gracias por los enlaces, pero no estoy seguro de en qué no estás de acuerdo conmigo. Estoy de acuerdo con la respuesta a la que se vinculó, que dice que se desliza con pequeñas fuerzas porque el neumático es elástico y también que, a menos que la rueda se deslice por la superficie, el automóvil acelera por la fricción estática.
Traté de dejar en claro que estaba simplificando al ignorar la elasticidad de la rueda, lo cual, estoy de acuerdo, es una simplificación demasiado grande para explicar el gráfico del OP, pero no demasiado para explicar el papel de la fricción estática, que es lo que el OP parecía faltar. ¿No está de acuerdo con que una rueda en movimiento pueda experimentar fricción estática (porque la velocidad tangencial de la rueda en el punto de contacto con la carretera es cero)?
@Rick En realidad, en una nueva lectura, tal vez entiendo lo que estás diciendo. Una rueda perfectamente elástica idealizada se movería debido a la fricción estática mientras experimenta un deslizamiento cero, mientras que una rueda elástica del mundo real también se movería debido a la fricción estática (a velocidades lo suficientemente bajas como para que no se deslizara), pero no tendría un deslizamiento. Deslizamiento cero a cualquier velocidad. Entonces, para las ruedas físicas, el gráfico tiene sentido leerlo como la fuerza de fricción completa, no solo como una fricción cinética. Mi objeción de que S (eq. 1 en su PDF) podría ser cero y aún se está moviendo no se aplicará si considera que la rueda es elástica. Lo compro.
@Rick Entonces, si bien lo que dije era cierto para una rueda perfectamente rígida (y creo que el OP quizás estaba confundido acerca de la fricción estática ya que mencionan un automóvil parado), el gráfico describe un neumático elástico del mundo de las ruedas. Gracias por su paciente aclaración sobre este punto.
@TimGoodman Me alegro de haber ayudado a aclarar. Encontré sus comentarios deliciosamente estimulantes.
No puedo resistirme a señalar el divertido error tipográfico en mi último comentario. Quise decir "un neumático elástico del mundo real", no "un neumático elástico del mundo de las ruedas".

El % de deslizamiento está definido por SAE como S = ω R − V V Dónde ω es la rotación de la rueda en radianes por tiempo, R es el radio efectivo del neumático, y V velocidad de la carretera del vehículo. Por ejemplo, si mi rueda tiene un radio de 1 pie y mi velocidad de rotación instantánea es de 50 radianes por segundo, entonces mi velocidad esperada sería de 50 pies por segundo. Si en ese momento estaba frenando, mi velocidad real en la carretera puede ser de 51 pies por segundo. En este caso mi % de deslizamiento sería del 2%.

Entonces, para un automóvil cuyas ruedas no giran, la parte inferior de la fracción es cero y el porcentaje de deslizamiento no está definido. En el caso del automóvil estacionado, eso significa que cualquier punto en el gráfico es válido para la cantidad de fricción que puede soportar el neumático (suponiendo que se mantenga en la condición húmeda versus seca), incluido el que crea el equilibrio del automóvil estacionado.

+1 Rick y gracias por la discusión sobre mi respuesta anterior. Para aquellos que no quieran leer todo nuestro ida y vuelta, el punto clave es que para los neumáticos con elasticidad (cualquier neumático del mundo real) hay compresión y, por lo tanto, V siempre es un poco menor que R omega. Ver aquí

La fricción surge de la tendencia o el movimiento real entre dos superficies. cuando no hay deslizamiento, aunque la superficie no sea lisa, la fuerza de fricción se desvanece porque no hay movimiento relativo en el punto de contacto de la rueda con la carretera. Sin embargo, esta situación es ideal. si una de las superficies pudiera deformarse, entonces la fuerza normal del camino a la rueda no es vertical, dando lugar a una pequeña componente horizontal, que al final ralentizaría la rueda, aunque no por fricción.

La fuerza normal de una superficie horizontal es, por definición, vertical. La fuerza total (normal + tangencial/tracción) de la carretera sobre el neumático no sería vertical.
¿Cómo la componente horizontal no sería fricción? ¿Qué otra cosa podría ser?
¿Por qué la fricción es cero cuando el deslizamiento de las ruedas es cero? [duplicar]
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