ROZAMIENTO AL DESLIZAMIENTO DE UN BLOQUE DE MADERA


Experimentos realizados por alumnos de Secundaria y de Bachillerato en el IES "Leonardo Da Vinci" de Alicante

 
 
PLANTEAMIENTO
ENSAYOS PREVIOS CON DINAMÓMETROS
DISEÑO EXPERIMENTAL CON SENSORES
RESULTADOS
OBTENCIÓN DE LA FUERZA DE ROZAMIENTO ESTÁTICO Y DINÁMICO
ARCHIVOS DE DATASTUDIO

 
 
 

PLANTEAMIENTO

 
 

Una forma de iniciar el estudio del rozamiento es plantear la cuestión de qué cabe esperar que suceda cuando a un cuerpo apoyado encima de una mesa o sobre el suelo se le ejercen fuerzas, de empuje o de tracción, cada vez mayores. Es lógico pensar que mientras las fuerza aplicada sea pequeña, el objeto no se moverá. Para poner en movimiento el objeto hay que ejercer una fuerza mínima que supere la oposición del rozamiento. Después de conseguirlo, el deslizamiento podría ser uniforme (si se aplica una fuerza igual a la fuerza de rozamiento) o acelerado (si la fuerza aplicada supera a la fuerza de rozamiento)

 

Solicitamos a los alumnos que no se limiten a la especulación teórica y empujen un objeto relativamente pesado, como, por ejemplo, una mesa del aula. Al hacerlo tienen sensaciones que indican que para poner en movimiento la mesa se necesita ejercer una fuerza mayor que la necesaria luego para mantener el movimiento. Finalmente, se resume este conjunto de hipótesis mediante la elaboración de gráficas cualitativas sobre la previsible evolución de la fuerza aplicada y de la posición del objeto.

 

 
 
 

 

ENSAYOS PREVIOS CON DINAMÓMETROS

 
 

Interesa realizar unas experiencias exploratorias, consistentes en tirar con un dinamómetro de un bloque colocado encima de una mesa. Para aumentar el rozamiento y apreciar mejor el pico de fuerza antes del deslizamiento se puede colocar una base de corcho blanco. La observación visual del experimento permite constatar muy claramente que para poner en movimiento el objeto se precisa una fuerza mayor que la necesaria después para mantener el deslizamiento. Distinguimos, en consecuencia, entre una fuerza de rozamiento estático (una fuerza creciente que iguala a la fuerza aplicada mientras el objeto permanece en reposo) y una fuerza de rozamiento dinámico, ya con el objeto deslizando (inferior al pico máximo de la fuerza aplicada antes del deslizamiento)

 

     

En las experiencias realizadas, anotamos que, usando la base de corcho y un bloque de madera de los disponibles en nuestro laboratorio, el pico que representa la fuerza mínima necesaria para poner en movimiento al objeto (rozamiento estático) está en el entorno de 2-3N, mientras que la fuerza aplicada cuando desplazamos el objeto resulta del orden de 1-2N.

 
 
 

 

DISEÑO EXPERIMENTAL CON SENSORES

 
 

Con el sensor de fuerza se puede empujar objetos o tirar de ellos. Pondremos un tirador y tiraremos con suavidad de un bloque de madera (colocado encima de la mesa del laboratorio) hasta conseguir que deslice. Mientras el objeto desliza, intentaremos ejercer una fuerza constante y lo más pequeña posible, con objeto de mantener un movimiento uniforme. Para comprobar si es así se usará un sensor de movimiento que registre la evolución de la posición del bloque. Si todo sale según las previsiones, en el momento en que comience a deslizar el objeto la lectura del valor que proporciona el sensor de fuerza ha de aportar el valor límite de la fuerza de rozamiento estático. Si el sensor de movimiento registra después algún tramo de movimiento uniforme, la fuerza aplicada al bloque en ese tramo es la fuerza de rozamiento dinámico.

 

     

Respecto a los detalles técnicos del diseño, tenemos en cuenta que con los dos sensores conectados al ordenador, el programa enseña simultáneamente en la pantalla las gráficas de la evolución de la fuerza y de la posición. Por tanto, conviene configurar ambos sensores con la misma frecuencia (se obtienen buenos resultados con 50Hz) Por otro lado, se ha de configurar el sensor de fuerza para que determine fuerzas de tiro positivas.

 
 
 

 

RESULTADOS

     
 

Debajo, a la derecha, se muestran las gráficas de la fuerza aplicada y de la posición obtenidas por uno de los equipos. En este caso, se añadieron al bloque de madera pesas que aportaron un sobre-peso de 600g y uno de los alumnos tiró suavemente del objeto con el sensor de fuerza, haciéndolo deslizar encima de la de la mesa del laboratorio, que se puede considerar una superficie lisa y bien pulida.

 
     
 

Como se aprecia, en las gráficas quedan perfectamente delimitadas tres zonas:

Una zona inicial (hasta t=0.3s) en dónde se ha aplicado una fuerza creciente y el objeto permanece en reposo hasta que se consigue ponerlo en movimiento (pico de la gráfica)

La zona inmediatamente posterior (desde t=0.3s hasta t=1s) en la que, primero cae la fuerza aplicada (en el momento del arranque) y tiende a estabilizarse. Corresponde al inicio del movimiento del cuerpo, donde la gráfica de la evolución de la posición delata un movimiento acelerado.

Una zona de deslizamiento casi uniforme final (desde t=1s en adelante) donde dejamos de tirar del objeto. La fuerza aplicada resulta bastante constante y la gráfica de la posición se aproxima a una recta, es decir, tiene pendiente casi constante o, lo que es igual, el movimiento parece próximo a un movimiento uniforme.

 

 
         
 

 

OBTENCIÓN DE LA FUERZA DE ROZAMIENTO ESTÁTICO Y DINÁMICO

 
 
 

A la izquierda se muestra el análisis realizado sobre la gráfica de la fuerza aplicada. Usando la llamada "Herramienta inteligente" del programa, se obtiene el pico de fuerza que se ha necesitado para poner en movimiento al bloque (5,3 N).

Por otra parte, se ha realizado un ajuste lineal de la fuerza aplicada en la zona de deslizamiento, que confirma que dicha fuerza ha sido casi constante y aporta un valor de 4,3N. Utilizando las funciones estadísticas que aporta el programa, también se han obtenido los valores máximo (4,5N),mínimo (4,0N) y medio (4,3N) de dicha fuerza, los cuales corroboran claramente su constancia y confirman su valor de 4.30N.

 
     
 

En las gráficas adjuntas (debajo a la izquierda) se ha seleccionado la zona que corresponde al inicio del movimiento del bloque. Como se observa, el arranque el acelerado. La fuerza varía muy poco y el mejor ajuste realizable sobre la gráfica de la posición es un ajuste cuadrático, del que se puede obtener con buena precisión la aceleración al arrancar

 
     
 
   

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En las otras gráficas (situadas más a la derecha) en cambio, se ha seleccionado la zona  posterior de deslizamiento . El ajuste más adecuado para la gráfica de la posición es ahora un ajuste lineal, lo que nos indica que el movimiento  casi es uniforme. En estas condiciones, la fuerza aplicada al bloque es casi constante e igual a la fuerza de rozamiento al deslizamiento, lo que da por este procedimiento un valor de 4,28N.

 
     
 

Así pues, se obtiene en este caso una fuerza de rozamiento de 4,28 - 4,30 N. Como la masa del bloque es de 200g y se le añadió un sobrepeso de 600g, el coeficiente de rozamiento resulta μ = 0,55 (μ = fr/P = 4,28/7,84 = 0,55). Para completar el estudio, interesa realizar otro experimento donde se modifique la masa del bloque (añadiendo y restando pesas), con objeto de obtener con mayor precisión el coeficiente de rozamiento, confirmando si, como prevé la teoría, se obtiene una relación lineal entre la fuerza de rozamiento y la fuerza normal, para diferentes valores de ellas.

 
     
 

 

ARCHIVOS DE DATASTUDIO: Te puedes descargar los resultados originales del experimento descritos en esta página. Para abrir el archivo se necesita el programa DataStudio, del que tienen licencia bastantes Departamentos de Física y Química de institutos de Enseñanza Secundaria.