La força de fregament, també coneguda com a força de fricció, és una força que s'oposa al moviment relatiu entre dues superfícies en contacte. Aquest fenomen és fonamental a l'estudi de la dinàmica en física, ja que influeix en com els objectes es mouen i s'aturen.
La fricció és una de les forces més comunes que trobem a la vida quotidiana i juga un paper crucial en nombroses aplicacions pràctiques i investigacions científiques.
Tipus de fricció
Hi ha diversos tipus de fricció que es poden categoritzar principalment en dos: la fricció estàtica i la fricció cinètica (o dinàmica).
- Fricció estàtica : És la força que s'ha de superar per iniciar el moviment d'un objecte en repòs. Aquesta força actua en la direcció oposada a l'intent de moviment i varia fins a un valor màxim, conegut com la força de fricció estàtica màxima. Mentre no s'arribi a aquest valor màxim, l'objecte no es mourà.
- Fricció cinètica Una vegada que l'objecte comença a moure's, la fricció que actua sobre ell s'anomena fricció cinètica. Aquesta força generalment és menor que la fricció estàtica i roman constant mentre lobjecte es desplaça a una velocitat constant.
Factors que afecten la fricció
Diversos factors influeixen en la magnitud de la força de fricció entre dues superfícies:
- Materials de les superfícies : Diferents materials presenten diferents coeficients de fricció. Per exemple, el cautxú sobre l'asfalt té un alt coeficient de fricció mentre que el gel sobre el metall té un coeficient molt menor.
- Superfície de contacte : La fricció no depèn de l'àrea de contacte entre les superfícies, sinó de les característiques de les mateixes superfícies i de la força normal que les manté en contacte.
- Força normal La fricció és proporcional a la força normal, que és la força perpendicular a les superfícies de contacte. Aquesta relació s'expressa com a Ffr=μFn, on μ és el coeficient de fricció i Fn és la força normal.
Força de fregament en una superfície inclinada
Un cas habitual a l'estudi de la dinàmica és la força de fregament en una superfície inclinada.
Com hem comentat, aquesta força actua a la direcció oposada al moviment oa la tendència de moviment de l'objecte. Per tant, si l'objecte només experimenta la força de la gravetat, la direcció de força de fregament és paral·lela a la superfície (mateix inclinació) amb sentit cap amunt (ja que el cos tendeix a desplaçar-se cap avall).
En una superfície inclinada, el pes de lobjecte es divideix en dos components: una perpendicular a la superfície i una altra paral·lela. La component perpendicular afecta la força normal, que és la força que la superfície exerceix per suportar lobjecte. La força de fregament depèn daquesta força normal.
Quan l'objecte està en repòs, la fricció estàtica manté l'objecte al seu lloc. Si l'objecte es comença a moure, la fricció cinètica entra en joc, generalment sent menor que la fricció estàtica.
Models i teories de fricció
L'estudi de la fricció ha evolucionat amb el temps, i diverses teories i models han estat desenvolupats per comprendre millor aquest fenomen:
- Lleis d'Amontons-Coulomb : Aquestes lleis estableixen que la fricció és proporcional de força normal i és independent de l'àrea de contacte. Tot i que aquestes lleis són útils en molts contextos, no expliquen tots els aspectes de la fricció.
- Teoria de l'adhesió Aquest model suggereix que la fricció resulta de les forces adhesives entre les molècules de les superfícies en contacte.
- Teoria del lliscament microscòpic Aquesta teoria considera les irregularitats microscòpiques en les superfícies que s'interbloquegen i causen fricció quan es mouen una sobre una altra.
Força de fregament en un fluid
La força de fregament també es pot aplicar a un fluid. En aquest cas, també és coneguda com a resistència viscosa o arrossegament. Aquesta força depèn de diversos factors, incloent-hi la velocitat del flux, la viscositat del fluid i la forma de l'objecte.
La viscositat és una mesura de la resistència interna del fluid al flux i es pot imaginar com la “fricció interna” del fluid. Com més gran sigui la viscositat, més gran serà la força de fregament. Per exemple, l'aigua té una viscositat menor que l'oli, de manera que l'arrossegament a l'aigua és menor que a l'oli.
Diferències entre sòlids i líquids
Malgrat tot, hi ha diferències significatives entre la força de fregament entre sòlids i fluids. Per exemple, en el fregament entre sòlids, la força és deguda a les interaccions directes entre les superfícies en contacte incloent les irregularitats microscòpiques i les forces adhesives entre les molècules de les superfícies. Per contra, als fluids, la fricció sorgeix de les interaccions entre les capes de fluid que es mouen a diferents velocitats.
En el cas dels sòlids, la força de fregament cinètic és generalment independent de la velocitat del moviment un cop s'ha iniciat mentre que als fluids la força d'arrossegament és proporcional a la velocitat tant si és un flux laminar com turbulent.
El coeficient de fricció en sòlids és constant per a materials específics, mentre que en fluids, el coeficient d‟arrossegament pot variar amb la velocitat i la forma de l‟objecte. A més, la viscositat dels fluids canvia amb la temperatura i la pressió, afectant la força d'arrossegament. Aquests factors diferencien les friccions en sòlids i fluids en aplicacions pràctiques.