La fricción estática (un compuesto de las palabras estática y fricción ) [1] es la fuerza que se debe superar para permitir el movimiento relativo de objetos estacionarios en contacto. [2] Cualquier objeto sólido que presione uno contra el otro (pero que no se deslice) requerirá un umbral de fuerza paralelo a la superficie de contacto para superar la adhesión estática. [3] La fricción estática es un umbral , no una fuerza continua. Sin embargo, la fricción estática también puede ser una ilusión creada por la rotación de la fricción cinética . [4]
En situaciones en las que dos superficies con áreas por debajo de la escala micrométrica se encuentran muy próximas (como en un acelerómetro ), pueden adherirse entre sí. A esta escala, las fuerzas electrostáticas y/o de Van der Waals y de enlace de hidrógeno se vuelven significativas. El fenómeno de que dos superficies de este tipo se adhieran entre sí de esta manera también se denomina fricción estática. La fricción estática puede estar relacionada con el enlace de hidrógeno o con la contaminación residual.
La fricción estática es también el mismo umbral en el que un objeto rodante comenzaría a deslizarse sobre una superficie en lugar de rodar a la velocidad esperada (y en el caso de una rueda, en la dirección esperada). En este caso, se denomina "fricción por rodadura" o μ r .
Por eso, en los cursos de formación para conductores se enseña que, si un coche empieza a deslizarse lateralmente, el conductor debe evitar frenar y, en su lugar, intentar girar el volante en la misma dirección en la que se desliza. Esto da a las ruedas la oportunidad de recuperar el contacto estático rodando, lo que devuelve al conductor algo de control. De forma similar, al intentar acelerar rápidamente (en particular desde parado), un conductor demasiado entusiasta puede "chirriar" las ruedas motrices, pero este impresionante despliegue de ruido y humo es menos eficaz que mantener el contacto estático con la carretera. Muchas técnicas de conducción acrobática (como el derrape ) se llevan a cabo frenando y/o recuperando deliberadamente esta fricción de rodadura.
Un coche sobre una superficie resbaladiza puede deslizarse mucho con poco control sobre la orientación si el conductor "bloquea" las ruedas en posiciones estacionarias presionando con fuerza los frenos. Los sistemas de frenos antibloqueo utilizan sensores de velocidad de las ruedas y sensores de velocidad del vehículo para determinar si alguna de las ruedas ha dejado de girar. A continuación, el módulo ABS libera brevemente la presión de cualquier rueda que esté girando demasiado lento como para no resbalar, para permitir que la superficie de la carretera comience a girar la rueda libremente de nuevo. Los frenos antibloqueo pueden ser mucho más eficaces que el frenado por cadencia , que es esencialmente una técnica manual para hacer lo mismo.
La fricción estática se refiere a la característica del movimiento de tipo arranque y parada de un conjunto mecánico. Consideremos un elemento mecánico que aumenta lentamente una fuerza externa sobre un conjunto en reposo que está diseñado para la rotación relativa o el deslizamiento de sus partes en contacto. La fricción estática de contacto entre las partes del conjunto resiste el movimiento, lo que hace que los momentos de resorte en el conjunto almacenen energía mecánica. Cualquier parte del conjunto que pueda doblarse elásticamente, incluso microscópicamente, y ejercer una fuerza de restauración contribuye con un momento de resorte. Por lo tanto, los "resortes" en un conjunto pueden no ser obvios a simple vista. La creciente fuerza externa finalmente excede la fuerza de resistencia de fricción estática, y los momentos de resorte, liberados, ejercen impulsivamente sus fuerzas de restauración tanto sobre las partes móviles del conjunto como, por la Tercera Ley de Newton, en reacción sobre el elemento de fuerza externo. Las partes del conjunto entonces aceleran impulsivamente entre sí, aunque resisten la fricción dinámica de contacto (en este contexto, mucho menor que la fricción estática). Sin embargo, el elemento de fuerza no puede acelerar al mismo ritmo, no puede mantener el ritmo y pierde el contacto. La fuerza externa sobre el conjunto móvil cae momentáneamente a cero por falta de contacto mecánico forzado, aunque el elemento de fuerza externo continúa su movimiento. La parte móvil luego desacelera hasta detenerse debido a la fricción de contacto dinámico. El ciclo se repite cuando el elemento forzado alcanza el contacto nuevamente. Se atasca, almacena energía del resorte, libera energía del resorte impulsivamente, acelera, desacelera, se detiene, se atasca. Se repite.
La fricción estática es un problema para el diseño y la ciencia de los materiales de muchos vínculos móviles. Este es particularmente el caso de las juntas deslizantes lineales, en lugar de los pivotes giratorios. Debido a la geometría simple, la distancia de movimiento de una junta deslizante en dos vínculos comparables es mayor que el recorrido circunferencial de un cojinete pivotante, por lo que las fuerzas involucradas (para un trabajo equivalente ) son menores y las fuerzas de fricción estática se vuelven proporcionalmente más significativas. Este problema a menudo ha llevado a que los vínculos se rediseñen de estructuras deslizantes a estructuras puramente pivotantes, solo para evitar problemas con la fricción estática. Un ejemplo es el puntal Chapman , un vínculo de suspensión . [5]
Durante el micromecanizado de superficies, se produce fricción o adhesión entre el sustrato (normalmente a base de silicio ) y la microestructura durante el grabado húmedo isotrópico de la capa de sacrificio. Las fuerzas capilares debidas a la tensión superficial del líquido entre la microestructura y el sustrato durante el secado del agente de grabado húmedo hacen que las dos superficies se adhieran entre sí. La separación de las dos superficies suele ser complicada debido a la naturaleza frágil de la microestructura. La fricción suele evitarse mediante el uso de un fluido sublimador ( a menudo CO2 supercrítico , que tiene una tensión superficial extremadamente baja) en un proceso de secado en el que se omite la fase líquida. El CO2 desplaza el fluido de enjuague y se calienta más allá del punto supercrítico. A medida que se libera lentamente la presión de la cámara, el CO2 se sublima, lo que evita la fricción.