Todos conocemos la pregunta clásica sobre un automóvil que circula a velocidad constante en una carretera circular peraltada con fricción. Resulta que hay un rango de velocidades permitidas que el automóvil puede conducir para mantener una trayectoria circular. Si la velocidad está por encima de algún límite superior, el automóvil se deslizará hacia arriba (la fuerza centrífuga es más fuerte que la gravedad y la fricción). Si la velocidad está por debajo del límite inferior, el automóvil se deslizará hacia abajo (la gravedad es más fuerte que la fuerza centrífuga y la fricción). Todas las velocidades entre estos valores darán como resultado la misma trayectoria circular.
Hasta ahora, todo bien. Ahora supongamos que el automóvil está conduciendo en el límite superior de la velocidad y no patina. Entonces, la fricción estática apunta hacia abajo, perpendicular a la trayectoria del automóvil. Ahora el conductor pisa los frenos y supongamos que las ruedas dejan de rodar inmediatamente y se bloquean en una posición fija sin rotación.
¿Qué sucede con la fricción justo después de que las ruedas se bloquean? La velocidad disminuye pero aún está dentro de los valores permitidos, por lo tanto, la fricción estática aún apunta hacia abajo y evita que el automóvil se deslice hacia arriba, por lo que el automóvil mantiene su trayectoria circular.
Pero ahora las ruedas están bloqueadas, por lo que también hay fricción cinética entre las ruedas y la carretera en la dirección paralela a la trayectoria del automóvil y opuesta a su movimiento.
Entonces, ¿qué está pasando aquí? ¿Puede el rozamiento ser cinético en un sentido (paralelo a la trayectoria y hacia atrás) y al mismo tiempo estático en el otro sentido (perpendicular a la trayectoria y hacia abajo)?
Tenga en cuenta que el límite inferior de la velocidad no es importante para esta pregunta. De hecho, puede disminuir el ángulo de la carretera para que el automóvil no se deslice hacia abajo incluso cuando está parado, por lo que el límite inferior de la velocidad permitida puede ser cero. En ese caso, una vez bloqueadas las ruedas, la velocidad del coche disminuirá hasta que el coche se detenga por completo, manteniendo la trayectoria circular inicial durante todo ese tiempo.
Entonces, ¿qué pasa con la fricción aquí?
Bueno, la respuesta a su pregunta sobre estática y cinética mixta es sí, puede tener fricción tanto estática como cinética entre dos objetos al mismo tiempo (particularmente fácilmente con neumáticos). Sin embargo, no sucede de la manera que estás describiendo.
En primer lugar, cuando dos objetos interactúan, siempre hay una fuerza neta entre los dos objetos. (O podría llamarlo una fuerza y es una fuerza de reacción igual y opuesta). Este vector de fuerza generalmente se divide en una fuerza "normal" o de "soporte" y una fuerza de fricción. Si hay algún deslizamiento o deslizamiento, la dirección de la fuerza de fricción es siempre* en la dirección que ayuda a detener el deslizamiento.
Primero saquemos la pendiente de la curva para que sea solo un giro plano y luego podemos volver a agregar la inclinación en la siguiente sección.
Cuando bloquea las ruedas, de repente la superficie de la llanta se mueve hacia adelante mientras que la superficie de la carretera aún está estacionaria. Pierdes toda la fricción estática y la dirección de la fricción apunta directamente hacia atrás (oponiéndose al movimiento). Suponiendo que el automóvil esté igualmente equilibrado, todo el automóvil se deslizará en la dirección en la que se desplazó hasta detenerse (también continuará girando a la misma velocidad). Se pierde todo el control de la dirección. Esta es la mitad de la razón por la que los sistemas de frenos antibloqueo en los automóviles, una vez que la rueda no gira, la dirección a la que apunta es básicamente irrelevante.
Este escenario es similar, el automóvil aún se desviará en la dirección en la que se dirigía, por lo que se elevará hacia afuera hasta que la velocidad sea lo suficientemente baja como para que la gravedad lo empuje hacia abajo en la curva. Nuevamente, con las ruedas bloqueadas, solo habrá fricción cinética hasta que el automóvil se detenga.
Entonces, la pregunta es cuándo hay fricción tanto estática como cinética. La respuesta puede sorprenderlo: la gran mayoría de las veces sus llantas experimentan ambos. Esto se debe a que los neumáticos son muy flexibles y elásticos. Esta flexibilidad permite que parte de la zona de contacto del neumático se deslice contra la superficie de la carretera mientras que el resto de la zona de contacto se adhiere estáticamente a la carretera. La fuerza neta es la suma de ambas fuerzas. En este caso, siguen apuntando siempre en la dirección que evitaría el deslizamiento. Para obtener más información, puede buscar en Google "ángulo de deslizamiento" para obtener explicaciones sobre cómo el agarre y el deslizamiento funcionan juntos para proporcionar fuerza en las curvas.