LA FRICCIÓ - cac.es · Document 4: EL PAPER DE LA HISTORIA DE LA CIENCIA EN EL CAS DE LA FRICCIO...

Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas

1

LA FRICCIÓ

Ricard F. Guillem Morrió

I.E.S. LA PATACONA

ALBORAIA (València) Introducció:

Les forces de fricció juguen un paper molt important en la comprensió del moviment, ja que estan presents en totes les situacions reals que analitzem. Tenir-les en compte, ajuda a una millor comprensió de la mecànica newtoniana; ja que molt sovint als alumnes es costa imaginar situacions ideals en les que no es considera la fricció, com p.e. a mòbils que resten en moviment indefinidament si cap força els deté.

Objectius:

• Aprendre a treballar en el laboratori i apreciar l’ordre, la neteja i el rigor al treballar.

• Superar algunes dificultats amb aspectes relacionats amb la fricció com:

1. La fricció s’oposa sempre al moviment

2. Si no hi ha moviment no hi ha fricció.

3. La fricció i els estats d’agregació de la matèria.

4. La fricció com força de reacció.

• Presentar fricció com un sistema de fenòmens que son crucials en la majoria de les activitats diàries.

• Donar exemples on la fricció es presenta com un recurs positiu, més que com un obstacle o una perduda.

• Accentuar el paper de la fricció interna para establir equilibri després de la tensió o del moviment.

• Evitar centrar-se en situacions amb forces horitzontals de fricció que poden afavorir la identificació entre la força normal i el pes.

• Evidenciar l’existència de diferents tipus de fricció.

• Analitzar els factors que influeixen en el valor de la fricció.

• Mesurar coeficients de fricció entre diferents materials.


2

Relació del tema proposat amb el currículum del Curs:

Al DECRET 102/2008, d’11 de juliol, del Consell, pel qual s’estableix el currículum del batxillerat en la Comunitat Valenciana, en els continguts de 1r de Batxillerat de Física i Química, en els continguts corresponents al nucli de Dinàmica s’indica: Estudi d’algunes situacions dinàmiques: forces gravitatòries (en les proximitats de la superfície terrestre), de fricció i elàstiques.

Experiències:

1) Observacions i experiments introductoris/motivadors

2) Experiències de lliscament estàtic i cinètic amb tribometre i pla inclinat. Comprovació de les lleis de Amontons/Coulomb.

3) Experiències de fricció vertical

4) Experiències virtuals:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/rozamiento/general/rozamiento.htm

http://www.isftic.mepsyd.es/w3/eos/MaterialesEducativos/mem2007/dinamica_leyes_newton/dinamica/rozamiento.htm

http://www.xtec.net/~ocasella/applets/plaincl/appletsol2.htm

Es presentaran als alumnes uns documents que proposen activitats, experiències i exercicis, les possibles solucions hi són als annexos.


3

OBSERVACIONS I EXPERIMENTS INTRODUCTORIS/MOTIVADORS

1.- Observació de les petjades en l’arena de la platja

• Es marquen en l’arena de la platja dues marques separades uns 100 m.

• Dividim als alumnes en grups, i fem que cada grup realitze:

1. Marxe amb velocitat constant entre les dues línies.

2. Ixca tot lo ràpid que puga i aproximadament a la meitat del recorregut, começe a disminuir la velocitat fins arribar a l’altra línia.

3. Ixca lentament i cap als 50 m accelere fins arribar al final.

• Els alumnes poden enregistrar les diferents petjades amb el seu telèfon mòbil.

2.- Fregona en equilibri

L’experiència consisteix en el següent: aguantem (sense agafar tal com es veu a la imatge) una fregona mullada pels dos extrems amb les dues mans i aleshores “movem” simultàniament i de forma lenta les dues mans fins que es trobin just davant la nostra cara.

És millor demanar al que ho realitza que tanqui els ulls per deixar en evidència que no hi ha intervenció intencionada per aconseguir el resultat final.


4

Document 1: QUESTIONARI

1. Has notat alguna diferència?

2. Com són les petjades quan marxem a velocitat constant?

3. Com són quan accelerem?

4. I quan frenem?

5. Quan caminem o correm, cap on intentem moure la cama?

6. Què ens empenta cap avant?

7. Com expliques la forma de les petjades al moure’ns a velocitat constant?

8. I al intentar accelerar?

9. I al disminuir la velocitat?

10. Per què en algun tipus de sòl, algunes vegades llisquem? Pot passar en l’arena de la platja?


5

Document 2: QUESTIONARI

1. Inicialment has pogut moure les dues mans?

2. La força que fa verticalment cada mà sobre la fregona, es manté constant al llarg de tota l’experiència? En cas afirmatiu, argumenta-ho i, en cas contrari, explica amb detall com va variant i fins quin moment.

3. Quin tipus de fricció hi ha quan la fregona no llisca?

4. I quan llisca?

5. Pots moure les dues mans simultàniament? En cas afirmatiu, fas la mateixa força en les dues mans?

6. En el següent dibuix de la fregona, suposant que estem en la situació inicial, representa totes les forces que actuen sobre ella. Recorda que els mòduls del vectors dibuixats haurien de mantenir una certa proporció amb els valors de les forces


6

Document 3: INVESTIGA ELS SEGÜENTS CONCEPTES

1.- Fregament o fricció.

2.- Importància de la fricció en la mecànica industrial.

3.- Lubricants.

4.- Fricció estàtica.

5.- Coeficient de fricció estàtic.

6.- Fricció cinètica o dinàmica.

7.- Coeficient de fricció cinètica.

8.- Qui fou el primer en estudiar la fricció?

9.- Amontons al segle XVII va establir les lleis empíriques de a fricció, quines són?

10.- Quina ampliació va fer Coulomb?


7

Document 4: EL PAPER DE LA HISTORIA DE LA CIENCIA E N EL CAS DE LA FRICCIO

Leonardo da Vinci (1452-1519) va estudiar molts aspectes dels fenòmens de la fricció, però els seus manuscrits van ser llegit tres segles més avant.

Hooke (1685-1703), En “On the various Way of conveyance” va estudiar la fricció del rodolament, que ell atribuí a dues causes:

a) la deformació dels materials, quan estos no es recuperen completament (histèresi elàstica), i

b) a l’adherència entre rodes i camí.

Amontons (1663-1705):

Va establir les lleis de la fricció entre sòlids d’una manera empírica:

1) La força de fricció era proporcional a la càrrega (Força normal entre les superfícies).

2) La fricció entre les superfícies era independent de l'àrea de contacte i de la velocitat.

Proposà un model que explicava la fricció dient que les superfícies no eren completament llises i per tant les rugositats s’encaixaven unes en altres oposant-se al moviment relatiu. (Model de les rugositats rígides)

La força de fricció era doncs, la força necessària per a fer que un cos supere les asprors d'un altre.

Amb este model explicava les lleis empíriques:

1) Al augmentar la càrrega les rugositats encaixaven més i millor i per tant major la fricció.

2) La independència de l’àrea de contacte perquè depenen de l'amplària de les rugositats.

També va discutir que les rugositats poden ser rígides o deformables, però que malgrat tot, els resultats serien iguals. Proposà un model amb rugositats deformables representades com a ressorts elàstics.

P. de l'Hire (1640-1718) confirma els resultats de l'Amontons, suggereix que eixes rugositats (asprors), en alguns casos pot ser esgarrades durant el moviment, en tals casos la fricció depèn també del nombre de les rugositats esgarrades i augmenta amb l'àrea de contacte.

Desaguliers (1683-1744) introdueix l’adherència entre les superfícies, que anomena atracció de cohesió. En dues superfícies planes metàl·liques, quan estan construïdes molt llises, es demostra que el fregament augmenta.

S. Vince (1785) re-assumeix la idea de la adherència. Explicant que la diferencia entre la fricció estàtica i la dinàmica es deguda a una adherència establerta durant el temps del contacte estàtic. Troba dades experimentals en contrast amb la llei d’Amontons, arribant a la conclusió de que: "Cap regla general es por establir para la relació entre la força de fricció i la càrrega.


8

Per tant, durant el segle XVIII, apareix una controvèrsia entre la idea de l’encaixat de les rugositats (rígides superant-les o deformables doblant-les), i la idea de l’adherència o la cohesió entre les superfícies. El primers (Amontons, Euler, Bélidor, Coulomb) pensen en empentar i en forces repulsives entre les rugositats, i els altres (Desaguliers 1734, Vince 1785) en tirar i en forces atractives.

Fou Coulomb el que realitzà la primera síntesi:

• Lleis clàssiques: la força de fricció és proporcional a la força normal N, i independent de l'àrea de contacte A i de la velocitat (ho va afegir ell).

Ell va trobar també altres resultats experimentals:

• La fricció depèn de la velocitat: Per al metall sobre fusta "la velocitat augmenta com una progressió geomètrica, mentres que les forces del fregament augmenten com una progressió aritmètica "

• La fricció estàtica varia amb la duració del contacte i pot dependre de l'àrea de contacte.

Coulomb indica dos possibles causes de la fricció :

- L’enclavillament de les asprors de les superfícies, que poden separar-se només doblegant-se, trencant-se, o alçant-se sobre una altra;

- La cohesió (adherència) entre les superfícies en contacte, que s'ha de superar per a produir el moviment.

A la fi del seu treball, ell conclou:

"El fregament pot vindre només d'enclavillar-se les rugositats superficials, l'adherència pot tindre només molt poca influència, perquè trobem que el fregament és proporcional a la càrrega i independent de l'àrea; pel contrari, l'adherència actuaria necessàriament segons el nombre dels punts del contacte o a l'àrea de les superfícies. Trobem no obstant això que esta adherència no és exactament zero, si tenim cura per a determinar-la en els diversos experiments ".

Coulomb propon un model de rugositats deformables:

Les rugositats estan intercalades entre si i es deformen al intentar lliscar

Com si foren cerres d’un raspall que s’acoblen i van doblant-se mútuament mentres es toquen, en un moment determinat, comencen a desunir-se i comencen a lliscar

A principis del segle XIX, s’estableixen els temes i els resultats fonamentals, propostos generalment en manuals.


9

Esta primera sistematització, la podríem definir com la tribología clàssica o la fricció de Coulomb.

Un comportament similar se observa en nanotribologia, segons la relació

F = µW+kA

Amb un terme adhesiu kA, proporcional a l'àrea, i el fregament diferent a zero per una càrrega zero.

Ja al segle XX, Bowden & Tabor (1954) van estudiar la definició de contacte i el conflicte entre el model adhesiu de Desaguliers i la llei d'Amontons basada en l'àrea evident del contacte. Van introduir el concepte de l'àrea del contacte vertadera composta d'un nombre de regions xicotetes, en les quals les rugositats superficials toquen realment (els encaixos). El contacte ocorre només entre les rugositats més altes.

El model adhesiu de l'encaix no pot ser la història completa. Durant el procés de lliscament, algunes rugositats xocaran realment i es detindran, però ocorren també altres fenòmens.

La pressió en les àrees de contacte xicotetes és molt i causa deformacions, altes temperatures i soldadures locals.

La força total necessària per separar totes les connexions depèn de l'àrea de contacte vertadera i de la deformació (plàstica o elàstica) de rugositats

“El fregament es degut al trencament de moltes soldadures de punt minúscules que es fan contínuament quan dos objectes es pressionen junts i llisquen un damunt l’ altre.”

Bowden &Tabor van investigar també el fregament en el cas d'un procés purament elàstic. I feren una segona síntesi en fenòmens de fregament. Presentant una gran quantitat de resultats experimentals i establint una recopilació del coneixement experimental i teòric que s'instal·la en la tribologia moderna

Des de 1985 una nova fase s’obri, amb un renaixement del interès per els aspectes fonamentals de la tribologia i el inici de noves investigacions: nous materials, usos i fenòmens.

Aquest document es vora en classe seguint la presentació power point :El paper de la història de la Ciencia

EXPERIÈNCIES DE LLISCAMENT ESTÀTIC I DINÀMIC AMB TR IBOMETRE I PLA INCLINAT. COMPROVACIÓ DE LES LLEIS DE AMONTONS/ COULOMB.

Objectiu:

L'alumne comprovarà l'existència de diferents tipus de fricció.

Analitzarà els factors que influïxen en el seu valor i mesurarà coeficients de fricció de diversos materials.


10

Document 5

Les lleis bàsiques i empíriques de la fricció son:

• 1) la fricció depèn de la naturalesa de les superfícies en contacte

• 2) la fricció és independent de l'àrea de lliscament de les superfícies.

• 3) la resistència de fricció és proporcional a la càrrega

PRÀCTICA 1: FREGAMENT ENTRE SÒLIDS:

1)Amb el material següent idea un experiment per demostrar les lleis anteriors:

Material i equip.

1.- una base de fusta de 1.25 x 0.16 m aproximadament.

2.- una base de vidre.

3.- un bloc de fusta.

4.- una base de làmina per al bloc de fusta.

5.- un dinamòmetre.

6.- un transportador.

7.- tres pesos de diferents valors.

2) Determina els coeficients de fricció estàtics en cada cas

3) Dibuixa les forces que actuen sobre el bloc situat en el pla inclinat

4) Amb ajuda del pla inclinat, dissenya un experiment per determinar els coeficients de fricció estàtics

Bisagra


11

Annex 5

Es pretén que els alumnes facin les següents experiències (es proporcionarà ajuda, si cal)

1) Experiment nº. 1 (fricció de materials diversos).

A ).- Col·loca el bloc de fusta sobre la base de fricció, com es mostra en la figura nº 1, tira lentament i uniformement amb el dinamòmetre fins que s'inicie el moviment del bloc. Anota el que s'observa i anota la lectura del dinamòmetre.

_________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________

B ).- Repeteix el procediment anterior amb cada un dels diferents materials, anotant en cada cas la lectura del dinamòmetre.

Fusta amb fusta _________________________N.

Fusta amb vidre _________________________ N.

Fusta amb lamina _________________________ N.

Vidre amb lamina de plàstic _________________________ N.

FIG. Núm. 1

Experiment nº. 2 (fricció de materials en funció de la superfície de contacte).

A ) Utilitzant la base de vidre el mes neta possible, col·loca sobre ella el bloc de fusta i amb el dinamòmetre mesura el llindar de fricció en les dos cares que té el mateix poliment i anota-les a continuació.

Superfície major _____________________N

Superfície menor ______________________N

Fig. No. 2


12

Experiment nº 3. ( fricció de materials en funció del seu pes ).

A ) Sobre la base de vidre, col·loca el bloc de fusta amb la base de Fricció ( la de lamina de plàstic ) i amb el dinamòmetre posa'l en moviment com s'indica en la figura nº 3 mesurant la força tangencial.

B) .- Repeteix l'operació anterior agregant pesos de 10 en 10 grs. Sobre el bloc fins a arribar a 30 grs.

Figura nº. 3

2) Determina els coeficients de fricció estàtics en cada cas

Tenint en compte que el coeficient de fricció estàtic és la constant de proporcionalitat entre el força tangencial aplicada i la Normal que pressiona les dues superfícies

C) .Amb els valors obtinguts ompli la taula

Experiència Força tangencial Força normal Coeficient fricció

1

2

3

3) Dibuixa les forces que actuen sobre el bloc situat en el pla inclinat

Bisagra

·g·mP·N·F eeef µµµ ===


13

4) Amb ajuda del pla inclinat, dissenya un experiment per determinar els coeficients de fricció estàtics

Com al augmentar la inclinació del pla augmenta la component tangencial de la força Pes i també la força de fregament (que s’oposa al moviment), en el instant en que comença a lliscar, la força de fregament estàtic i la tangencial seran iguals.

Com que el angles de costats perpendiculars són iguals podem establir:

Simplificant i aïllant:

La deducció es veurà en una presentació Power Point: Pla inclinat.ppt

Bisagra PN

P

a

a Bisagra PN

P

a

a Bisagra PN

P

a

Bisagra PN

P

a

Bisagra PN

P

α

α

αsen·g·mPT =

α·cosg·mPN =

αµµµ ·cosg·mP·N·F eNeef ===

Tf PF =ααµ sen·g·m·cosg·m·e =

αααµ tan

cos

sine ==


14

Document 6

Per determinar coeficients de fricció cinètics (o dinàmics) podem fer el següent experiment que consisteix en lligar un bloc de fusta a un contrapès, i mitjançant la força que exerceix aquest, el bloc de fusta recorrerà una distancia. Tal i com mostra la figura següent:

1) Observa detingudament la figura i digues les precaucions que hauràs de tenir en compte a l’hora de fer el muntatge.

2) Què ocorrerà quan soltem el contrapès A?

3) I quan el contrapès arribi a terra?

4) S’aturarà el bloc B? Perquè?

5) Sabries trobar una equació que relacioni la distancia recorreguda pel bloc B, i el coeficient de fricció?

h

A

B

h


15

Annex 6

1) Observa detingudament la figura i digues les precaucions que hauràs de tenir en compte a l’hora de fer el muntatge.

Amb l’ajut d’un nivell i d’unes falques l’anivellarem, per tal que quedi del tot plana, per aconseguir més precisió en l’experiment.

Després, marcarem amb un retolador permanent el punt de sortida del bloc B, a 56cm de la politja. A continuació, unírem el portapesos (bloc A) amb el bloc B mitjançant un fil de 0,45mm de diàmetre i 80cm de longitud.

Per mesurar l’alçada del portapesos (h) respecte la superfície en la què xocara, col·locarem el bloc B en la posició de sortida, posàrem els pesos al portapesos, i mentre un aguanta el bloc perquè el pes no el faci moure, un altre mesurava la distància entre els pesos i el terra.

2) Què ocorrerà quan soltem el contrapès A?

La tensió que exercida pel contrapès sobre el bloc B, el farà avançar pel plà, amb un moviment uniformement accelerat.

3) I quan el contrapès arribi a terra?

Quan el contrapès arribi al terra, deixarà de produir treball, el bloc B, seguirà en moviment, però ara desaccelerat.

4) S’aturarà el bloc B? Perquè?

Sí, ja que la fricció s’oposa al moviment, s’aturarà a causa de la fricció.

5) Sabries trobar una equació que relacioni la distancia recorreguda pel bloc B, i el coeficient de fricció?

Quan s’hagi aturat, mesurarem la posició final en la què ha quedat per després de calcular la distància recorreguda ∆x.i com la única força actuant era la de fricció, podrem calcular el coeficient de fricció cinètic amb la fórmula:

h·mx)·mm(

h·m

BBA

AC +∆+

=µ que deduirem de la següent forma, utiltzent la Presentació

Powr Point,Càlcul coeficient fricció cinètic.ppt intentarem que tots els alumnes pas a pas arribin a la citada fórmula

DEDUCCIÓ: 1. Moviment conjunt dels dos blocs:

• Equació de la segona llei de Newton de cada bloc:

a·mF =

- Bloc A (Contrapès)

a·mTg·mA =−

- Bloc B

- a·mg·m·T BBC =− µ


16

• Aïllem a (els dos blocs tenen la mateixa):

- Aillem T a l’equació del bloc B:

g·m·a·m·T BCB µ+=

- Substituim T de l’equació del bloc B a l’equació del bloc A: a·mg·m·a·mg·m BBCBA =−− µ

)m·m·(a)·mg·m·(g BACBA +=− µ

- Aïllem a:

- g·mm

m·ma

BA

BCA

+−

=µ

• Substituïm a a:

x·a·vv ∆=− 220

2

• I així, obtenim la velocitat que porta el bloc quan el contrapès xoca contra la superfície:

h·g·mm

m·mv

BA

BCA

+−

=µ

22

2. Moviment del bloc B:

• A partir de la fórmula de la fricció i de la segona llei de Newton (ja que

només hi actua la força de fricció):

N·F Cf µ=

a·mF Bf =

• Per igualació, obtenim: a·mg·m·N· BBCC == µµ

• De l’equació anterior podem simplificar mB, i aïllar a: g·a cµ=

3. Substituïm a la fórmula de la dinàmica, a i v (abans obtingudes): x·a·vv ∆=− 220

2

• I aïllant _x, obtenim: CBA

BCA

C

BA

BCA

C )mm(

h)·m·m(

g··

h·g·mm

m·m

g··

v

a·

vx

µµ

µ

µ

µ +−

=+−

===∆2

2

22

22

• Aïllant µc trobem el coeficient de fricció: x

h·m·h·m)mm( BCA

CBA ∆−

=+µµ

h·mx)mm(

h·m

BBA

AC ++∆+

=µ


17

EXPERIÈNCIES DE FRICCIÓ VERTICAL

Caldrà primer donar una definició de variables descriptives i les relacions qualitatives: la força normal o de càrrega, la força de fricció, l’àrea de contacte.

Començarem fent experiments que demostren el paper de l'adhesió i el comportament dels materials "enganxosos" com:

Un bloc d'argila (plastilina) que premem en una tauleta verticals de fusta i no llisca cap avall.

Un troç de poliestirè que si el recolzem verticalment

en sec contra una porta, llisca i cau, mentre que el mateixa troç humit no rellisca.

Per evitar que l'alumne identifique la força normal amb el pes (d'una tendència general, que també es troba en alguns textos), farem el senzill experiment següent: utilitzarem un bloc empès contra una paret.

L'estudiant s’adonarà que l'augment o disminució de les forces horitzontals exercides, pot impedir o permetre el bloc llisque al llarg de la paret. Inicialment, l'estudiant exercirà la pressió amb el dit perquè tingui la sensació física de la variació subjectiva d'empenta i el seu efecte sobre el moviment del bloc.

La prova la realitzarem amb blocs de diferents pesos i mides i canviant el material (fusta, metall, tela, paper) de la superfície del bloc en contacte amb la paret.

Llavors l'estudiant repeteix la prova empenyent amb un sensor de força perquè pugui llegir immediatament, el valor de la força.


18

Document 7

1) Cap on esta dirigida la força de fricció?

2) Perquè es produeix l’equilibri?

3) Dibuixa i identifica les forces que actuen

4) Què ocorrerà si en lloc de posar el dit horitzontal, fent una força igual, el inclinem cap amunt?

5) Què ocorrerà si en lloc de posar el dit horitzontal, fent una força igual, el inclinem cap abaix?


19

Annex 7

1) Cap on esta dirigida la força de fricció?

La força de fricció, en aquest cas dirigida verticalment cap amunt, per explicar l'equilibri del bloc tot i la presència de la força gravitatòria que actua sobre ell.

2) Perquè es produeix l’equilibri?

Les forces que actuen són l’exercida (F) que es normal a la superfície, la de la gravetat (Pes = P), la reacció de la paret sobre el bloc (N), i la de fricció (Ff).

L’equilibri es produeix perquè F i N són iguals i de sentit contrari i P i Ff també.

3) Dibuixa i identifica les forces que actuen

Suposant el cos puntual, les forces aplicades en el c.d.g. són:

La força exercida (F)

El Pes (P)

La reacció de la paret sobre el bloc (N)

La força de fricció (Ff).

4) Què ocorrerà si en lloc de posar el dit horitzontal, fent una força igual, el inclinem cap amunt?

Com que la força Normal disminuirà, ja que al estar inclinada la força exercida la component horitzontal serà més xicoteta, però a la vegada la component vertical estarà dirigida verticalment cap amunt, sumant-se a la de fricció per la qual cosa el bloc no lliscarà.

5) Què ocorrerà si en lloc de posar el dit horitzontal, fent una força igual, el inclinem cap abaix?

Com que la força Normal disminuirà, ja que al estar inclinada la força exercida la component horitzontal serà més xicoteta, i a la vegada la component vertical estarà dirigida verticalment cap abaix, sumant-se a la del Pes per la qual cosa el bloc lliscarà, si fem una força igual que al apartat 3, i tindrem que augmentar la força aplicada si volem que no rellisque.

LA FRICCIÓ - cac.es · Document 4: EL PAPER DE LA HISTORIA DE LA CIENCIA EN EL CAS DE LA FRICCIO...

Documents

Transcript of LA FRICCIÓ - cac.es · Document 4: EL PAPER DE LA HISTORIA DE LA CIENCIA EN EL CAS DE LA FRICCIO...