Trabajo realizado por la fricción estática en un automóvil

El aumento de la energía cinética del automóvil proviene de la energía interna del automóvil, almacenada, por ejemplo, en su gasolina o baterías.

El motor ejerce un par sobre las ruedas, a las que la fricción les impide simplemente girar en su lugar. La reacción del suelo sobre el coche (ruedas) hace que se mueva más rápido.

Estás mezclando dos cosas diferentes.

Si tenemos dos superficies deslizándose una sobre la otra, y hay un coeficiente de fricción distinto de cero entre ellas, entonces la energía se disipa como fricción. Esta energía perdida es simplemente la distancia que las superficies se han deslizado multiplicada por la fuerza de fricción. En el caso de que las ruedas (ideales) tengan razón, ya que no se produce deslizamiento, la energía perdida por la fricción es cero.

Pero todo esto significa que no se pierde energía por la fricción. El automóvil y la carretera ejercen una fuerza igual y opuesta entre sí, por lo que a medida que el automóvil se mueve, la carretera realiza un trabajo externo sobre el automóvil. El hecho de que los neumáticos de los automóviles no resbalen significa que todo ese trabajo se destina a la energía cinética del automóvil y nada se pierde por fricción.

La respuesta es que una fuerza de fricción estática puede realizar un trabajo.

Considere el caso de usted sentado en un automóvil que está acelerando.
El asiento no tiene respaldo y usted no se mueve en relación con el asiento.

Ahora considéralo a ti como el sistema.
Tienes tres fuerzas actuando sobre ti.
En la dirección vertical, su peso y la reacción normal debida al asiento se cancelan y usted se queda con la fuerza de fricción estática horizontal que lo acelera y se mueve con usted.
Es el trabajo realizado por esa fuerza de fricción estática lo que hace que aumente su energía cinética.

Por supuesto, la fuente última del aumento de la energía cinética es la energía química almacenada en el combustible que el motor convierte en una forma útil.

Actualización como resultado de una discusión con el OP.

Volviendo al coche contigo sentado en el asiento.
¿Qué ve un observador en la carretera?
El observador ve una fuerza de fricción estática horizontal constante debido al asiento que actúa sobre ti.
El observador ve esa fuerza moviéndose con la misma velocidad que el automóvil de la misma manera, como el observador vería a alguien en el automóvil empujándolo por detrás para acelerarlo, o acelerarlo si el asiento con un fondo sin fricción estuviera colocado en el suelo y alguien te estaba empujando.
En todos los casos, hay una fuerza que actúa sobre usted y, a medida que la fuerza sufre un desplazamiento, esa fuerza realiza trabajo.

Volviendo a tu pregunta.
El observador en la carretera ve el automóvil con una fuerza de fricción horizontal que actúa sobre el automóvil (neumáticos).
Ese observador ve que la fuerza sufre un desplazamiento, por lo tanto, esa fuerza ha realizado un trabajo.
No importa cómo surgió esa fuerza de fricción horizontal, el hecho es que el automóvil está sujeto a una fuerza horizontal constante que sabemos que se debe a la fricción estática.
Esa fuerza que acelera el automóvil podría deberse a que alguien empuja el automóvil donde el punto de contacto de la fuerza es el automóvil y, por lo tanto, la persona que aplica la fuerza no se mueve en relación con el automóvil.

Al acelerar el automóvil desde el reposo, la fricción estática HACE un trabajo positivo, que es el cambio en la energía cinética lineal del automóvil. PERO también realiza un trabajo negativo en la rueda (crea un contrapar) que disminuye la energía cinética de rotación de la rueda. Entonces, el trabajo NETO realizado por la fricción estática es 0. Simplemente convierte una parte de la energía cinética de rotación del motor en energía cinética lineal hasta que se cumple la condición de no deslizamiento. Eso tiene sentido si lo piensas porque el camino no tiene energía para transferir al sistema.

La respuesta de @stafusa es correcta. El aumento de la energía cinética (EC) del automóvil se debe a la disminución de la energía interna del automóvil (de la combustión, las baterías, etc.). Esto se puede entender utilizando la primera ley de la termodinámica.

En una carretera sin fricción, el aumento de KE sería una velocidad de rotación cada vez mayor de las ruedas motrices. La fricción de la carretera disminuye la energía de rotación de las ruedas motrices, lo que genera un movimiento hacia adelante del centro de masa (CM) del automóvil.

Para la condición de no deslizamiento de las llantas en la carretera, la fricción no produce un trabajo neto. Hay confusión con respecto a este punto; debe reconocerse que la fricción contribuye tanto al movimiento de traslación del CM como al movimiento de rotación de las ruedas motrices. Resumo la razón por la cual la fricción no funciona para la condición de no deslizamiento utilizando dos enfoques.

(1) El trabajo realizado por la fricción es$\int_{}^{} \vec F_{fric} \cdot \vec v \enspace dt$. El punto instantáneo de contacto de los neumáticos con la carretera tiene velocidad cero para que no resbale; entonces,$\vec v$es cero y la fricción no realiza trabajo.

(2) La fuerza de fricción aumenta la aceleración del centro de masa (CM) y, por lo tanto, realiza un trabajo de traslación que es positivo, pero el par de torsión de la fricción en relación con el CM realiza un trabajo de rotación que es negativo y de igual magnitud que el trabajo de traslación. . Por lo tanto, para ningún deslizamiento, el trabajo neto realizado por la fricción (translacional positivo más rotacional negativo) es cero.

Vea la respuesta de @jawheele a ¿Cómo gana energía cinética un automóvil? .

Además, para un problema relacionado, objeto rodando por una pendiente, vea las dos respuestas de @Dale y mías a ¿ El trabajo se realiza por torsión debido a la fricción en el rodamiento puro? . Para no resbalar, la fricción no realiza trabajo; porque la fricción por deslizamiento funciona como se discutió en mi respuesta.