¿Cómo proporciona la fricción estática la aceleración centrípeta?

A2A: Cuanto más pensaba en esta pregunta, más interesante se volvía porque normalmente pensamos en la fricción como respuesta a cierta velocidad relativa entre dos objetos en contacto, y que la fricción se opone a la velocidad: considere un bloque de madera sobre una mesa. Si lo empujas, impartiendo una velocidad, empuja hacia atrás, ¡pero no empuja hacia los lados! Si ese es el caso, ¿qué hace que un automóvil gire en círculo? Así que analicemos paso a paso.

a) Debe quedar claro que un automóvil en una superficie sin fricción no puede seguir una curva circular en un camino plano (¡solo mire Youtube de automóviles en hielo!)

b) Si un automóvil en una carretera recta normal aplica los frenos, el torque en el eje se ve contrarrestado por la fricción de la superficie de un neumático, y el automóvil disminuye la velocidad (o acelera si se aplica el acelerador). Pero esto no proporciona fuerza perpendicular al dirección de viaje, de nuevo, el auto no gira.

Ahora considere dos ruedas delanteras incautadas en un automóvil con tracción trasera:

c) Independientemente de si la dirección se gira para que el neumático ya no mire hacia la dirección de desplazamiento o no, el automóvil acelerará en línea recta siempre que la potencia del motor supere la fricción. El automóvil idealizado no girará (en un automóvil real no ideal, la fricción en una llanta podría no ser la misma que la otra, por lo que un giro es inevitable por otras razones que no sean la intención de esta pregunta)

d) Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que se requieren tanto un neumático rodante como una fricción superficial para hacer que un automóvil gire en un arco cuando la dirección cambia el ángulo del neumático. ¿Por qué? Esto se debe a que el eje ya no es perpendicular a la dirección de desplazamiento. La velocidad de la llanta del neumático ya no coincide con la velocidad de la dirección de desplazamiento, y para completar el equilibrio de la fuerza, ahora debe haber un vector de fuerza de fricción en la dirección de la llanta para evitar el deslizamiento y seguir rodando en la nueva dirección del neumático. . Esto se puede resolver en dos componentes, uno tangencial a la curva y uno perpendicular a la curva, lo que obliga al automóvil a seguir un camino curvo. Tenga en cuenta un poco más de potencia del motor para mantener un giro a velocidad constante porque existe fricción en el giro pero no en la recta (suponiendo que no haya fricción de rodadura ideal)

OK, no considero que (d) sea la explicación más fácil de seguir, pero eso es lo esencial. La existencia requerida de esta fuerza no es evidente de inmediato porque solo entra en juego cuando se configura la situación física, por lo que hay un cambio en la dirección de rodadura de la rueda. Cuando esto ocurre sin fricción, ya no hay rodadura pura, sino rodadura y deslizamiento. Con fricción, el equilibrio de fuerza trabaja para eliminar el deslizamiento y establecer un rodamiento puro en la nueva dirección.