¿Puede el coeficiente de fricción estática ser menor que el de fricción cinética?

Recientemente me preguntaba qué pasaría si la fuerza que desliza dos superficies entre sí fuera de alguna manera más débil que la fricción cinética pero más fuerte que la fricción estática. Dado que la fuerza de deslizamiento es mayor que la fuerza máxima de fricción estática, F > F s = m s F norte , parece que las superficies deberían deslizarse. Pero por otro lado, si la fuerza de fricción cinética es mayor que la fuerza aplicada, habrá una fuerza neta m k F norte − F ¡ actuando contra el movimiento, lo que sugiere que las superficies deben moverse en dirección opuesta a la dirección en la que están siendo empujadas! Eso no tiene sentido.

La única resolución lógica que se me ocurre es que el coeficiente de fricción estática nunca puede ser menor que el coeficiente de fricción cinética. ¿Me estoy perdiendo de algo?

Puede verlo desde un punto de vista más fundamental: la fricción proviene de la interacción entre las nubes de electrones, que pueden ser de naturaleza bastante irregular para una superficie. Entonces, para un cuerpo en reposo, sus protuberancias se habrán hundido en las depresiones de la superficie sobre la que descansa. Por otro lado, si el cuerpo está en movimiento, los baches patinan sobre los baches de la superficie. Se puede ver que el cuerpo tiene más fuerza cuando está atascado en el bache, ya que hay que sacarlo del bache.
El caso del teflón (doc) parece diferente.

Respuestas (6)

El problema con esta pregunta es que la fricción estática y la fricción cinética no son fuerzas fundamentales de ninguna manera, son nombres puramente fenomenológicos que se usan para explicar el comportamiento observado. "Fricción estática" es un término que usamos para describir el hecho observado de que, por lo general, se necesita más fuerza para poner un objeto en movimiento que para mantenerlo en movimiento una vez que se ha puesto en marcha.

Entonces, con eso en mente, pregúntese cómo podría medir los tamaños relativos de la fricción estática y cinética. Si el coeficiente de fricción estática es mayor que el coeficiente de fricción cinética, esto es algo fácil de hacer: una vez que superas la fricción estática, la fuerza de fricción cae. Entonces, tiras de un objeto con un sensor de fuerza y ​​mides la fuerza máxima requerida antes de que se mueva, luego, una vez que está en movimiento, la fuerza de fricción disminuye y mides cuánta fuerza necesitas aplicar para mantener una velocidad constante.

¿Qué significaría que la fricción cinética fuera mayor que la fricción estática? Bueno, significaría que la fuerza requerida para mantener un objeto en movimiento sería mayor que la fuerza requerida para ponerlo en movimiento. Lo que requeriría que la fuerza subiera en el instante en que el objeto comenzó a moverse. Pero eso no tiene ningún sentido, experimentalmente, lo que vería en ese caso es que la fuerza aumentaría hasta el nivel requerido para mantener el objeto en movimiento, como si los coeficientes de fricción estática y cinética fueran exactamente iguales. .

Entonces, el sentido común nos dice que el coeficiente de fricción estática nunca puede ser menor que el coeficiente de fricción cinética. Tener una mayor fricción cinética que estática simplemente no tiene ningún sentido en términos de los fenómenos que se describen.

(Aparte, el modelo de coeficiente estático/cinético es en realidad bastante pésimo. Funciona como una forma de plantear problemas que obligan a los estudiantes a lidiar con la naturaleza vectorial de las fuerzas, y permite algunas explicaciones cualitativas simples de los fenómenos observados, pero si tiene alguna vez trató de diseñar un laboratorio que hiciera mediciones cuantitativas de la fricción, es un desastre).

"la fuerza requerida para mantener un objeto en movimiento sería mayor que la fuerza requerida para ponerlo en movimiento". --Creo que nos falta la velocidad con la que debe mantenerse en movimiento. Tratar de mantener un objeto en movimiento cerca de su velocidad terminal requeriría más fuerza que comenzar desde cero a un valor mucho menor que la velocidad terminal. El arrastre cuenta como una fuerza de fricción, ¿verdad?
@user80551: Todo esto está en el contexto del modelo Amontons. los coeficientes m k y m s sólo tiene sentido dentro de ese modelo. En ese modelo, no hay velocidad terminal y las fuerzas de fricción son independientes de v por v ≠ 0 .
Creo que un problema mayor es la cuestión de qué sucedería si un objeto estuviera sentado en una rampa, sujeto a suficiente fuerza gravitatoria paralela para comenzar a moverse, pero no lo suficiente como para mantenerlo en movimiento. Si se aplicara la situación inversa, el objeto permanecería estacionario a menos que se lo perturbara, pero luego aceleraría cuesta abajo. Sin embargo, en la primera situación, si hay fuerza más que suficiente para que el objeto comience a moverse, debería moverse; si no hay suficiente para mantenerlo en movimiento, debe detenerse. No está claro cómo un objeto podría hacer ambas cosas simultáneamente.
Aunque su respuesta no explica completamente por qué, la voté a favor de todos modos porque puedo entender lo que quiso decir porque pensé de forma independiente en mi propia explicación de por qué la fricción cinética no puede ser menor que la fricción estática, que es cuando la fricción cinética es menos, no hay solución para el movimiento futuro de la partícula que satisfaga las leyes.

Esta respuesta es especulativa, no se basa en mi experiencia con la fricción.

Lógicamente, no hay razón para que la fricción cinética tenga que ser independiente de la velocidad. Podrías tener una fricción cinética que aumenta con la velocidad. De esa manera, si empuja algo con más fuerza que la fricción estática, la cosa se aceleraría hasta cierta velocidad en la que la fricción cinética igualaría la fuerza aplicada, y luego no aceleraría más.

Si esa velocidad fuera muy lenta, se podría decir que la fricción cinética es mayor que la fricción estática para todas las velocidades que normalmente se encuentran sin una paradoja.

Sin embargo, como usted señaló, la fricción cinética tendría que ser menor o igual que la fricción estática para velocidades cercanas a cero.

Está describiendo lo que sucede cuando un lubricante dilatante (espesante por cizallamiento) se encuentra entre las superficies, donde el lubricante se vuelve menos resbaladizo a medida que aumenta la velocidad. Los lubricantes para cadenas a veces son dilatantes.

Con el modelo simple de fricción, utilizando coeficientes de fricción estática y cinética, tiene razón: el coeficiente de fricción cinética no puede ser mayor que el coeficiente de fricción estática.

En el mundo real, el fenómeno de la fricción puede ser mucho más complejo. Su razonamiento señala que con la velocidad muy cercana a cero, la fricción cinética no puede ser mucho mayor que la fricción estática. Para ser más precisos, si la velocidad es infinitamente pequeña, la fricción cinética puede ser mayor que la estática, ¡pero entonces solo puede ser infinitamente pequeña! Un ejemplo es la fricción del aire, que es cero cuando un cuerpo no se mueve y aumenta con la velocidad. En un modelo simple, para velocidades pequeñas, la fricción del aire es proporcional a la velocidad.

En un modelo simple para velocidades pequeñas, cualquier cosa que comience en cero cuando v=0 es proporcional a la velocidad.
La fuerza en sí misma no necesita ser infinitamente pequeña para evitar la paradoja, solo necesita ser infinitesimalmente mayor que la fricción estática.

La fricción cinética generalmente no es mayor que la fuerza aplicada.

Empiezas a mover un objeto que aumenta la fuerza estática para evitar cualquier movimiento. Sin embargo, sigues aplicando más fuerza hasta que alcanzas un valor máximo para la fricción estática. Entonces, el objeto comienza a moverse. Sin embargo, la fricción cinética (que se produce cuando el objeto se mueve) es menor que la fuerza aplicada. Además, la fricción cinética no depende de la fuerza aplicada, por lo tanto, no necesita aplicar más fuerza para seguir moviendo el objeto (en realidad, necesita menos fuerza).

Supongo que lo que estoy preguntando es si la fricción cinética necesariamente tiene que ser menor que la fuerza aplicada en el punto en que se excede la fricción estática. Siempre supuse que tenía que ser así, hasta ayer.
Déjame ser más preciso. El valor máximo en el que se 'derrota' la fricción estática se denomina 'fricción inicial'. Cuando la fuerza aplicada es suficiente para alcanzar ese punto, la fricción cinética comienza a desempeñar un papel, sin embargo, la fricción cinética suele ser menor que la fricción inicial. Dado que la fuerza aplicada es mayor que la fricción inicial, por lo general la fuerza aplicada excede la fricción cinética. Se dice 'normalmente' porque hay casos en los que el rozamiento cinético es mayor que el rozamiento estático.
Tengo curiosidad por estos casos en los que la fricción cinética es mayor que la fricción estática. ¿Qué tipos de sistemas físicos son y qué sucede exactamente cuando la fuerza aplicada excede la fricción inicial pero es menor que la fricción cinética?
@David: Por lo que he podido leer, los casos en los que la fricción cinética es mayor que la fricción estática son causados ​​por la unión química entre las superficies. Parece ser un área de investigación actual que involucra más que las fuerzas que estamos considerando. Sin embargo, erudito.lib.vt.edu/theses/disponible/etd-07282008-135807/… (Página 41) proporciona un ejemplo de m k > m s . ¿Confiable? No sé.

Con la fricción estática no hay movimiento entre las superficies y, por lo tanto, no se realiza trabajo, por lo que las dos superficies permanecen a la misma temperatura (ambiente).

Sin embargo, con la fricción dinámica se realiza trabajo, por lo que una o ambas superficies absorben la energía y se calientan. Con los materiales de fricción típicos, el coeficiente de fricción máximo solo se logra cuando el material se calienta y, en muchos (no todos) los casos, el coeficiente de fricción dinámico, a temperatura elevada y con presión de contacto y velocidad de deslizamiento adecuadas, es de hecho MÁS ALTO que el coeficiente de fricción estático con temperatura (ambiente) más baja y velocidad de deslizamiento cero con la misma presión de contacto.

Ciertamente, para algunos tipos de materiales se puede demostrar que el coeficiente de fricción estática puede ser menor que el coeficiente de fricción dinámica mencionado.

Creo que la respuesta es sí. Aquí hay una posible explicación que es solo especulación. Según https://physics.aps.org/story/v7/st6 , el coeficiente de fricción estática entre superficies lisas que no coinciden es cero. Seguramente eso significa que el coeficiente de fricción estática puede ser menor que el de la fricción cinética para una fuerza normal dada. ¿Como puede ser? Creo que la teoría predice que para velocidades de deslizamiento suficientemente bajas de superficies lisas, la fuerza de fricción cinética por área varía linealmente con la velocidad de deslizamiento. Para demostrar que el coeficiente de rozamiento estático no puede ser menor que el de rozamiento cinético, hay que suponer que la fuerza de rozamiento cinético por área es independiente de la velocidad de deslizamiento.

¿Puede el coeficiente de fricción estática ser menor que el de fricción cinética?
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