¿El área de contacto afecta las fuerzas de fricción?

Recuerdo haber estudiado una ley de fricción hace algunos años, en la escuela de ingeniería. Todo lo que recuerdo es que cuando se tomó la primera aproximación, el popular F = k × norte se derivó.

¿Por qué tal aproximación se consideraría tan útil como para ser enseñada como "verdad de ingeniería"? ¿Cuál es la prueba de que el área de contacto no afecta significativamente la fuerza de fricción?

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Entonces, el libro trata sobre el diseño de un embrague de fricción. Este dispositivo consta de varios zpares de discos, uno conectado al input shafty el otro disco del par conectado al output shaft.

Si entiendo correctamente la fórmula y los significados de las variables, el par máximo que puede transmitir el dispositivo es proporcional a F × z donde Festá la fuerza que empuja el paquete de discos juntos.

La fuerza de fricción es proporcional al área de contacto real, no aparente, y el área de contacto real es proporcional a la carga. Por lo tanto, el área se cancela y la fuerza de fricción es proporcional a la carga.
@Gracias por la respuesta. Sin embargo, no sé qué es real contact areay apparent contact area? ¿Tiene algo que ver con la deformación de los cuerpos blandos? ¿Con microrrugosidad? Nos aseguraron que una mayor área de contacto aumenta la fricción (diseñando un embrague de fricción), pero las fórmulas nunca se probaron.
Sí, es la rugosidad a escala atómica. Cuando tocas las superficies, solo se tocan los puntos más altos. A medida que aumenta la carga, estas asperezas se deforman y se extienden, por lo que aumenta el área de contacto. La fuerza dividida por el área real es aproximadamente la presión de fluencia, que es una propiedad material y aproximadamente constante, por lo que el área real de contacto es aproximadamente proporcional a la carga. ¡Estoy seguro de que Google puede encontrarte un tratamiento más riguroso!
@JohnRennie, wikipedia falló, así que decidí preguntarte. Mi pregunta parece estar duplicada en al menos dos preguntas ya formuladas (y sin respuestas demasiado buenas). Probablemente debería eliminarlo. Aún así, ¿tiene alguna idea de por qué, cuando se le guió para diseñar un embrague de fricción para un automóvil, se citó una fórmula para la fricción total que dependía del área? Podría citar la fórmula y editar la pregunta.
Cite la fórmula, indicando una fuente para ella, y le echaré un vistazo. No estoy familiarizado con el diseño del embrague, así que no sé la respuesta de inmediato.
Busque soldadura en frío para volar su mente.

Respuestas (4)

Por supuesto, la relación lineal simple F=k*N es solo una aproximación cruda.

La principal fuerza de fricción de las áreas principalmente planas es la fuerza de van der Waals entre las moléculas de las dos capas que están cerca unas de otras, que también se ven afectadas por las capas más profundas de los materiales.

La cantidad de fricción también depende de cuánto tiempo han estado en contacto las dos áreas, su temperatura y una miríada de otros factores, con muchas investigaciones en curso .

Afecta y no en diferentes casos

Caso 1: Cuando el área de contacto no afecta la fuerza de fricción

Sabes que la fuerza de fricción F es

F = norte ∗ m
dónde m es el coeficiente de fricción de la superficie y norte es la fuerza normal que actúa sobre la superficie. Ahora mira la imagen de abajo

ingrese la descripción de la imagen aquí

ambos bloques tienen la misma masa en F i gramo ( 1 ) y F i gramo ( 2 ) pero el área de contacto es diferente, deje que el bloque 1 tenga el área A metro 2 y el bloque 2 tiene el are 2 A metro 2 , en las dos imágenes hay un coeficiente de fricción igual que es m

Ahora la fuerza ejercida por el primer bloque por metro cuadrado es

norte 1 = metro gramo A metro 2
y la fuerza ejercida por el segundo bloque es
norte 2 = metro gramo 2 A metro 2
Entonces, dado que ambos bloques tienen el mismo coeficiente de fricción m entonces la fuerza de fricción entre el bloque 1 y la tabla inferior es
F 1 = norte 1 ∗ m ∗ a 1
aquí a 1 es el área de contacto entre los bloques, entonces
F 1 = metro gramo A metro 2 ∗ m ∗ A metro 2 ⟹ metro gramo m
y la fuerza de contacto entre el bloque 2 y el tablón inferior es
F 2 = norte 2 ∗ m ∗ a 2
aquí a 2 es el área de contacto entre los bloques, entonces
F 2 = metro gramo 2 A metro 2 ∗ m ∗ 2 A metro 2 ⟹ metro gramo m
⟹ F 1 = F 2
así que ven aquí que no hay efecto del área de contacto sobre la fuerza de fricción.

Caso 2: Cuando el área de contacto afecta la fuerza de fricción

No sé si este es un ejemplo correcto o no, pero aquí va

Tome el ejemplo de los libros guardados en estantes colocados verticalmente uno al lado del otro y están apretados, por lo que si intenta quitar un libro grande con una superficie mayor, tendrá que aplicar más fuerza en comparación con la extracción de libros más pequeños con un área de superficie más pequeña.

espero que lo tengas

Así que aquí está la edición. Sospecho que estoy malinterpretando los significados de las variables o me estoy perdiendo algo simple en el sentido de que los discos son unidades separadas, no una gran área de superficie .
No entendí tu pregunta correctamente, pero de acuerdo con lo que pude entender, los discos son unidades separadas, pero al final están todos conectados al mismo eje, por lo que todos aplican una fuerza combinada en ut.
Imagina 10 discos. El primero está conectado a un eje. El segundo es estacionario, conectado a la carcasa de la máquina. El tercero está conectado al mismo eje, etc. Fes la fuerza que empuja esos discos juntos.
La fuerza actúa sobre cada disco que luego se transfiere al eje cuando el eje está conectado al disco y obtenemos una fuerza combinada de cada disco sobre el eje.

Para lo que ellos llaman "fricción seca" (sin adherencia, lubricantes viscosos, etc.), la evidencia empírica indica que, entre muchos factores posibles (área de contacto, velocidad de deslizamiento, etc.), solo importa la carga. Esto se conoce como la ley de fricción de Amonton y, estoy de acuerdo, parece muy contrario a la intuición. Pero al ser un hecho empírico (ver, por ejemplo, la referencia a continuación) no necesita pruebas teóricas; lo que necesita es una explicación, y hasta donde puedo decir, todavía no hay una explicación satisfactoria (una hipótesis, como menciona John Rennie, es que el área de contacto real crece proporcionalmente con la carga). Aquí hay una revisión relativamente reciente del tema: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp036362l .

Bueno, no tengo conocimiento de ningún cambio bien publicitado en la enseñanza estándar de que la fricción estática seca es independiente del área y se debe al contacto microscópico descrito anteriormente por John Rennie. Sin embargo, cuando se trata del diseño del embrague, hay otros factores a considerar. Es deseable tener un aumento muy suave en la fricción con una mayor presión de contacto (macro), y esto dicta un área de macro superficie, que es enormemente mayor que el área de micro contacto real. De modo que la creación y ruptura de estos contactos no es detectable a nivel de contacto individual. Los contactos reales tienden a soldarse, en el caso de metal contra metal, y la fuerza de fricción en sí misma es el corte de estas microsoldaduras (cuando ocurre la fricción por deslizamiento). La otra preocupación importante con respecto al diseño del embrague es la eliminación de calor; y eso alimenta el cálculo de macroáreas adecuadas, de modo que se minimice el aumento de temperatura. Esto es aún más importante, en el caso de una zapata de freno, donde la disipación de energía en forma de calor es el objetivo final del sistema.

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