Fricció
El fregament o fricció en física és la resistència que impedeix el moviment d'un cos que es troba sobre un altre, o també la força que apareix en la superfície de contacte de dos cossos quan s'intenta lliscar un sobre un altre.
La tribologia és la ciència que estudia la fricció, el desgast i la lubricació de superfícies en contacte.
Quan les superfícies en contacte es desplacen relativament una respecte a l'altra, la fricció entre les dues superfícies converteix l'energia cinètica en calor. L'energia cinètica es converteix en calor qualsevol quin sigui el moviment amb fricció que passi.
La fricció no és una força fonamental però ocorre per la força electromagnètica entre partícules carregades que constitueixen les superfícies en contacte. Per la complexitat d'aquestes interaccions, la fricció no es pot calcular pels primers principis, però en canvi es pot fer de manera empírica.
Història
modificaEls grecs, inclosos Aristòtil, Vitruvi i Plini el Vell, estaven interessats en la causa i la mitigació de la fricció. eren conscients de les diferències entre la fricció estàtica i cinètica quan Temisti va afirmar l'any 350 dC que «és més fàcil afavorir el moviment d'un cos en moviment que moure un cos en repòs».[1][2][3][4]
Leonardo da Vinci (1452–1519) va descobrir les regles clàssiques de la fricció per lliscament, però van romandre manuscrites en els seus escrits que no va publicar.[5][6] Van ser redescobertes per Guillaume Amontons (1699) i van ser desenvolupades més tard per Charles-Augustin de Coulomb (1785). Leonhard Euler (1707–1783) derivà l'angle de repòs d'un pes en un pla inclinat i va ser el primer a distingir entre la fricció estàtica i la cinètica.[7] Arthur Morrin (1833) desenvolupà el concepte de fricció estàtica. Osborne Reynolds (1866) derivà l'equació sobre el flux viscós. Això va completar el model empíric clàssic de la fricció (estàtica, cinètica i fluida) que de forma comuna es fa servir actualment en enginyeria.[5]
El centre de l'enfocament científic durant el segle xx va ser el d'entendre els mecanismes físics que hi ha darrere de la fricció. F. Phillip Bowden i David Tabor (1950) mostraren que a nivell microscòpic, la zona real de contacte entre superfícies és una petita fracció de la zona aparent.[6] Aquesta zona real de contacte és causada per les aspereses (rugositat) s'incrementa per la pressió, el que explica la proporcionalitat entre força normal i força de fricció. El desenvolupament del microscopi de forces atòmiques (c. 1986) ha permès als científics estudiar la fricció a escala atòmica.[5]
Lleis del fregament per a cossos sòlids
modifica- La força de fregament és sempre de sentit contrari a la força que empeny al cos.
- La força de fregament és pràcticament independent de l'àrea de la superfície de contacte.
- La força de fregament depèn de la naturalesa dels cossos en contacte, així com de l'estat que es trobin les seves superfícies.
- La força de fregament és directament proporcional a la força normal que actua entre les superfícies de contacte.
- Per a un mateix parell de cossos, el fregament és major en el moment d'arrencada que quan s'inicia el moviment.
- La força de fregament és pràcticament independent de la velocitat amb què es desplaça un cos sobre un altre.
Formulació matemàtica
modificaLa força de fregament entre dos cossos es pot expressar mitjançant la fórmula de fricció de Coulomb (en honor de Charles-Augustin de Coulomb):
on N és la força normal i μ el coeficient de fricció.
Tipus de fregament
modificaExisteixen dos tipus de fricció o fregament. La fricció estàtica és la força d'oposició a l'inici de qualsevol moviment d'una superfície contra una altra. És a dir que solament està present mentre el moviment no s'ha iniciat. Quan el cos ja està en moviment, la força d'oposició que actua és més feble i es denomina fricció dinàmica. S'observa que és més difícil iniciar el moviment d'un cos que mantenir-lo, perquè la fricció estàtica és més intensa que la fricció dinàmica.
La fricció és causant del desgast de les peces mecàniques en tota mena de màquines i engranatges així com de la generació de pèrdues d'energia en forma de calor. No obstant això, és imprescindible en la vida quotidiana, ja que permet caminar, frenar els vehicles, girar en les corbes o esmolar els ganivets per exemple.
Valors dels coeficients de fricció
modifica| Materials en contacte | Fricció estàtica | Fricció dinàmica |
|---|---|---|
| Gel // Gel | 0,1 | 0,03 |
| Vidre // Vidre | 0,9 | 0,4 |
| Fusta // Cuir | 0,4 | 0,3 |
| Fusta // Pedra | 0,7 | 0,3 |
| Fusta // Fusta | 0,4 | 0,3 |
| Acer // Acer | 0,74 | 0,57 |
| Acer // Gel | 0,03 | 0,02 |
| Acer // Llautó | 0,5 | 0,4 |
| Acer // Tefló | 0,04 | 0,04 |
| Tefló // Tefló | 0,04 | 0,04 |
| Cautxú // Ciment (sec) | 1,0 | 0,8 |
| Cautxú // Ciment (humit) | 0,3 | 0,25 |
| Coure // Ferro (fos) | 1,1 | 0,3 |
| Esquí (encerat) // Neu (0 °C) | 0,1 | 0,05 |
| Articulacions humanes | 0,01 | 0,003 |
Referències
modifica- ↑ Chatterjee, Sudipta. Tribological Properties of Pseudo-Elastic Nickel-Titanium (en anglès). BiblioBazaar, 2011-09, p. 11-12. ISBN 978-1-243-55263-1. «Classical Greek philosophers like Aristotle, Pliny the Elder and Vitruvius wrote about the existence of friction, the effect of lubricants and the advantages of metal bearings around 350 B.C.»
- ↑ Fishbane, Paul M.; Gasiorowicz, Stephen; Thornton, Stephen T. Physics for Scientists and Engineers (en anglès). I. Extended. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1993, p. 135. ISBN 978-0-13-663246-7. «Themistius first stated around 350 A.D. that kinetic friction is weaker than the maximum value of static friction.»
- ↑ Hecht, Eugene. Physics: Algebra/Trig (en anglès). 3rd. Cengage Learning, 2003. ISBN 9780534377298.
- ↑ Sambursky, Samuel. The Physical World of Late Antiquity (en anglès). Princeton University Press, 2014, p. 65–66. ISBN 9781400858989.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 Armstrong-Hélouvry, Brian. Control of machines with friction (en anglès). USA: Springer, 1991, p. 10. ISBN 0792391330.
- ↑ 6,0 6,1 van Beek, Anton. «History of Science Friction». tribology-abc.com. [Consulta: 24 març 2011].
- ↑ «Leonhard Euler». Friction Module. Nano World website, 2002. Arxivat de l'original el 2011-05-07. [Consulta: 25 març 2011].