Fuerza de roce - Rozamiento - Fricción - Viscosidad

Acabamos de introducir un comentario en el que solicitan algo sobre estos temas. Y aquí vamos.
Pero es útil que recordemos antes uno de los principios establecidos por Newton: "Siempre que un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, recibe de éste otra fuerza de igual magnitud pero de contrario". Es decir que a una acción se opone siempre una reacción, igual y opuesta.

Un sabio profesor de la Universidad de La Plata nos hacía mirar dos superficies en contacto. Y nos preguntaba si eran lo suficientemente lisas para que entre ellas no hubiera asperezas. Si le respondíamos que sí, nos pedía que hiciésemos de cuenta que nuestra visión se hacía 10 veces más potente, como una lupa de 10 X (10 aumentos). Si todavía las veíamos lisas, entonces que aumentáramos a 100 X.

Por supuesto que nuestra fértil imaginación juvenil nos permitía llegar a un punto en el que ambas superficies eran realmente rugosas.

"Entonces" - decía - "las irregularidades de una calzan en las de la otra, trabándose mutuamente".

La consecuencia era que para iniciar un deslizamiento de una sobre la otra había que romper esas trabas. Y éso era lo que se llamaba "coeficiente de roce estático". Pero una vez que se estaban moviendo relativamente entonces era más sencillo realizar el deslizamiento ya que había una inercia que nos ayudaba, por lo que la dificultad era menor y correspondía a otro valor llamado "coeficiente de roce dinámico".

Tanto al comienzo del movimiento (estático) como durante esa traslación posterior (dinámico) hay entonces una fuerza que se opone al deslizamiento, y se la conoce como "fuerza de roce", mayor al comienzo y menor luego.

Pasa lo mismo entre sólidos y sólidos que entre sólidos y líquidos, entre líquidos y líquidos, entre líquidos y gases, etc., es decir, cuando el medio tiene una cierta "viscosidad".

Todo esto es "fricción", es decir, la respuesta de un material a dificultar el paso de otro sobre él o a través de él. Pero también ocurre cuando un cuerpo rueda sobre otro, y allí se conoce como "rodadura".

El rozamiento produce muchos efectos: desgaste del material, pérdida de energía en forma de calor, etc.
A veces tratamos de disminuirlo "lubricando" las superficies, pero otras veces buscamos aumentarlo, por ejemplo en los dispositivos destinados a frenar un movimiento (los frenos de tu automóvil).

Registra en tu mente, entonces, el primer concepto fundamental: las fuerzas de rozamiento o fricción siempre se oponen al movimiento.

Volvamos al tema de dos superficies sólidas, como podría ser una caja que quieres arrastrar sobre un piso.
El rozamiento será proporcional al peso (y por tanto, a la masa) del cuerpo que está por encima. En este caso, la caja. La proyección vertical de esa fuerza (perpendicular al plano de movimiento) es el valor que nos interesa. "Fuerza Normal" es sinónimo en Física de "Fuerza Perpendicular".

Si el movimiento es horizontal, la fuerza normal al plano (N) será la fuerza del peso del cuerpo. Si inclinamos el plano de apoyo, irá disminuyendo.

Entonces la fuerza de roce será proporcional a la normal, es decir, será igual a la normal multiplicada por una constante.

Esa constante se denomina "coeficiente de roce" (mu). Habrá dos para cada situación: el estático y el dinámico. Y nos quedará que Fr = mu . N para ambos casos aunque variando el coeficiente.

Por ejemplo, para deslizar acero sobre acero, el coeficiente estático será 0,74 en tanto que el dinámico valdrá 0,57. Es siempre un número sin unidades.

De la viscosidad, esto es, de líquidos y gases hablaremos en otra oportunidad.

Hablemos de "dinámica"... Inercia, masa, fuerza, aceleración, etc.

Un día llegó un tal Newton ("Isaac" para sus familiares y amigos) y expresó que cuando un cuerpo está quieto (en reposo) no actúa ninguna fuerza sobre él. O si actúan dos o más, están en equilibrio. Y todos lo miraron como diciendo "es algo obvio": si no pedaleo mi bicicleta no avanza.
Pero luego de unos días regresó y, sin siquiera parpadear mientras lo decía, expresó que cuando un cuerpo está moviéndose con velocidad constante sobre una trayectoria rectilínea, tampoco actúa ninguna fuerza sobre él. O si actúan dos o más, están en equilibro. Y todos ya lo miraron de una forma diferente. "Este muchacho, que parecía tan inteligente, se ha vuelto loco": si acelero mi bibicleta hasta una cierta velocidad pero luego dejo de pedalear, no va a seguir moviéndose a la misma velocidad para siempre. Se irá deteniendo poco a poco y, si no aplico fuerza a los pedales, se detendrá.
Y Newton, que no leía el pensamiento ajeno pero podía suponerlo, continuó diciendo: "Lo que detiene poco a poco la bicicleta es la resistencia del aire. Si estuviera en el vacío, continuaría viajando en línea recta a la misma velocidad. Para siempre."
Un gracioso allí presente acotó: "Seguiría viajando pero el ciclista, o sea yo, estaría muerto por asfixia. Por eso, Isaac, discúlpame pero no haré la prueba. No me atreveré a andar en mi bicicleta en el vacío."
Así que tuvieron que creer en lo que Newton decía aunque no pudieron probarlo hasta algún tiempo después.
Pero no fue este científico inglés el primero que se dio cuenta de eso. Leonardo da Vinci y Galileo Galilei ya lo habían notado y expresado antes.

Cuando expresó sus famosos principios o leyes llamó a éste "principio de inercia"¨: todo cuerpo tiende a mantener su velocidad (aunque esa velocidad sea cero), su dirección de movimiento y su sentido.
O, para ser más "científicos" demos vuelta la idea para decir con Newton: "Si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza, o actúan varias que se anulan entre sí, entonces el cuerpo está en reposo o bien en movimiento rectilíneo y uniforme".`

¿Por qué hablaba de "tendencia" y no de "algo seguro"? Porque la tendencia podía demostrarse en la superficie de la Tierra donde la atmósfera actuaba como freno, en cambio la seguridad necesitaba del vacío que en ese momento no se lograba con demasiado éxito.

Allí venía incluído un concepto fundamental: "para que un movimiento cambie de velocidad o de dirección o de ambas cosas a la vez tiene que aplicarse una fuerza". Y a ese cambio se lo conocía como "aceleración".

La cuestión siguiente sería: ¿entonces cada vez que aplico una fuerza determinada obtengo una aceleración determinada? ¿Sabes que no? Si pateo un balón liviano saldrá disparado con mayor velocidad que si pateo con igual fuerza un balón pesado. Porque el balón pesado tiene más "inercia" que el balón liviano. Es decir, el balón pesado tiene más pereza para ponerse en movimiento que la que manifiesta el balón liviano.

Si en cada caso dividimos la fuerza aplicada por la aceleración lograda (F/a) nos dará una medida de esa inercia. Y Newton dijo que ese número obtenido dependía de la cantidad de masa del cuerpo.

¡Finalmente podíamos medir la masa de un cuerpo! Era una medida directamente relacionada con su inercia:
masa = fuerza/aceleración. Y como "fuerza" en griego se denomina "dina" había nacido la "dinámica": el estudio de los efectos de las fuerzas. Una masa que es siempre la misma para el mismo cuerpo, porque lo que puede cambiar es su "peso", es decir, la fuerza con la que esa masa es atraída, por ejemplo, por el planeta Tierra y que le provocará una aceleración que hará que su velocidad aumente 10 metros/segundo cada segundo.

Pero ese será el tema de otro encuentro. ¡Hasta entonces!

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Ahora sí. ¡hasta la próxima!