¿De qué manera las ruedas reducen la fuerza de fricción?

En casi todos los sentidos, como resulta.

La fricción resulta ser muy complicada, ya que involucra dos superficies que chocan constantemente, se unen y se rompen una a la otra cuando intentan cruzarse. La clave aquí es la velocidad relativa: es la rapidez con la que se mueven entre sí lo que causa fricción.

Las ruedas manejan el muy buen truco de sortear esta limitación casi por completo. Resulta que donde una rueda toca el suelo, no se mueve en absoluto con respecto al suelo. Esto significa que para un objeto en movimiento sobre ruedas, esencialmente no experimenta fricción debido al movimiento del objeto en relación con el suelo. En absoluto. La fricción que se vuelve importante es la fricción de la rueda que se mueve alrededor del rodamiento de bolas en su centro, etc. Todo esto es mucho más pequeño que la fricción que habríamos tenido al tratar de empujar una pieza rígida de goma en la misma distancia.

Sin embargo, la fricción juega algunos papeles en el comportamiento de los vehículos con ruedas. Sin fricción, no podían moverse. La fricción es lo que hace posible que todo “la parte de la rueda que toca el suelo no se mueva”. Cuando dos materiales se tocan y no se mueven entre sí, la fricción se opone a los intentos de cambiar la velocidad relativa. Entonces, si tiene una bicicleta y comienza a girar las ruedas, el camino de menor resistencia es hacer que la bicicleta comience a moverse hacia adelante, con la parte tocando el suelo que no se mueve con respecto al suelo, y que continúe sin moverse con respecto al suelo (cuando la rueda se mueve con relación al suelo, esto se conoce como deslizamiento. Es muy difícil de controlar y puede detenerte muy rápidamente).

Si tuviera un automóvil / carro / carro en algo como trineos o tablas en lugar de ruedas, tendría que aplicar una fuerza mayor que la fuerza de fricción estática (el coeficiente de fricción estática [matemática] \ mu_s [/ matemática] multiplicado por el normal force [math] N [/ math]) para hacer que el objeto se mueva. Además, parte del trabajo que realiza al empujar el objeto se disiparía como energía térmica / sonora en la interfaz de objeto de tierra de acuerdo con

[matemáticas] P _ {\ text {diss}} = – \ mu_kNv [/ matemáticas],

donde [math] \ mu_k [/ math] es el coeficiente de fricción cinética (para la mayoría de los materiales, [math] \ mu_k <\ mu_s [/ math]), y [math] v [/ math] es la velocidad del objeto .

Si coloca ruedas en el automóvil / carro / vagón, la única fricción que se opondrá a este movimiento, ignorando la resistencia al aire y la fricción en el sistema del eje de la rueda, será la fricción estática de las ruedas en la carretera (suponiendo que las ruedas estén rodando suavemente en lugar de deslizarse / deslizarse). Esta fuerza de fricción actúa en la dirección opuesta al movimiento en el punto donde las ruedas se encuentran con la carretera.

La verdadera ventaja de las ruedas es que la fricción estática no funciona. Resulta que la parte de la rueda que hace contacto con el camino es estacionaria con respecto al camino cuando está en contacto (es decir, cuando la fuerza de fricción se ejerce en ese punto). Esto no es tan obvio, pero cierto de todos modos. Como el trabajo es fuerza por distancia, y el punto en el neumático que siente la fuerza es inmóvil con respecto a la carretera (el agente que proporciona la fuerza), no se disipa energía en la interfaz de la rueda de la carretera.

Por supuesto, en los sistemas de la vida real, se disipa mucha energía en la interfaz de la rueda y el eje y se pierde en el proceso de deformación de la rueda en la interfaz de la rueda y el suelo.

  1. Trineo: la fricción cinética se produce entre los tablones y el suelo.
  2. Ruedas: la fricción cinética se produce dentro de los rodamientos de bolas, entre la rueda y el eje.

Como puede imaginar, los rodamientos de bolas están diseñados para reducir la fricción cinética (y estática) al mínimo posible.

Todavía hay fricción estática entre las ruedas y el suelo, pero como no hay un movimiento relativo entre las dos, esta fricción no consume energía.