Tribologie

Tribologia este știința care studiază fricțiunea , lubrifierea și uzura , adică toate problemele care pot apărea în mișcarea relativă dintre suprafețele care interacționează supuse sarcinii. Cuvântul tribologie derivă din greacă și este compus din tribos (în greacă Τρίβος), care înseamnă frecare și logos (în greacă λόγος), care înseamnă studiu sau știință, deci literalmente „știința fricțiunii”.

Cu toate acestea, este necesar să se precizeze că definiția cea mai corectă pentru această disciplină conform lui Halling este următoarea: „știința și tehnologia suprafețelor care interacționează în mișcare relativă și a substanțelor și practicilor conexe” ^[1] . De fapt, interesul tribologului variază de la fizică , inginerie , chimie , biologie și multe altele.

Tribologia este un subiect care are multe aplicații, nu numai în domeniul industrial, ci mai ales în viața de zi cu zi a fiecăruia dintre noi. De fapt, am putea retrage o zi întreagă în numele tribologiei: de la utilizarea spumei de ras, pentru a permite o alunecare mai bună a aparatului de ras pe piele, dimineața, până la uzura controlată la spălarea dinților înainte de a merge la culcare. .

Istorie

Preistorie și timpuri străvechi

Reproducerea unei picturi murale din mormântul lui Djehutihotep.

De la început, omul a trebuit să se ocupe de tribologie și, în unele cazuri, există și dovezi ale aplicațiilor tribologice primordiale. Frecarea cremenei sau a bastoanelor pentru a produce foc sau invenția roții, născută pentru a reduce frecarea în transportul materialului și care datează de acum aproximativ 6000 de ani, sunt doar câteva dintre dovezile pe care arheologia le aduce în sprijin, așa cum sa menționat. Primele dovezi documentate de picturi sau reprezentări, totuși, datează din Egiptul antic, unde construcția piramidelor pusese mai multe probleme de natură tribologică. Putem spune că pentru a depăși problema transportului de materiale grele, egiptenii foloseau deja lubrifianți în acel moment.

O mărturie foarte importantă a celor spuse a fost adusă la lumină spre sfârșitul secolului al XIX-lea într-un mormânt egiptean. Dacă te uiți cu atenție la imagine, poți număra 172 de sclavi care trag o statuie grea, așezată pe o sanie, și un bărbat, care toarnă un lichid în fața ei, pentru a face sania să funcționeze mai bine și pentru a facilita munca sclavilor. Dorind acum să testați veridicitatea a ceea ce este descris, puteți face un calcul rapid al coeficientului de frecare. Dacă considerăm că fiecare sclav exercită o forță de tractare de aproximativ 800 N pe sanie și că statuia cântărește aproximativ 60 de tone, vom avea că coeficientul de frecare μ va fi dat de:

$\mu ={{N\cdot F_{T_{Schiavo}}} \over {g\cdot M_{Statua}}}={{172\cdot 800N} \over {9.81{m \over s^{2}}\cdot 6\cdot 10^{4}kg}}\approx 0.23$ ${\ displaystyle \ mu = {{N \ cdot F_ {T_ {Slave}}} \ over {g \ cdot M_ {Statue}}} = {{172 \ cdot 800N} \ over {9.81 {m \ over s ^ { 2}} \ cdot 6 \ cdot 10 ^ {4} kg}} \ aproximativ 0,23}$ ${\ displaystyle \ mu = {{N \ cdot F_ {T_ {Slave}}} \ over {g \ cdot M_ {Statue}}} = {{172 \ cdot 800N} \ over {9.81 {m \ over s ^ { 2}} \ cdot 6 \ cdot 10 ^ {4} kg}} \ aproximativ 0,23}$

unde N este numărul de sclavi, $F_{T_{Schiavo}}$ ${\ displaystyle F_ {T_ {Slave}}}$ ${\ displaystyle F_ {T_ {Slave}}}$ este forța de tragere a fiecărui sclav, g este accelerația gravitațională e $M_{Statua}$ ${\ displaystyle M_ {Statue}}$ ${\ displaystyle M_ {Statue}}$ este masa statuii. În acest moment putem afirma că μ = 0,23 este o valoare fiabilă pentru un coeficient de frecare în cazul lamelor lubrifiate.

Teoriile fricțiunii

Leonardo da Vinci

Leonardo Da Vinci , un italian cunoscut peste tot în lume pentru capodoperele sale artistice și inginerești, a fost probabil primul care a ajuns la câteva concluzii importante cu privire la frecare, chiar dacă acest primat i-a fost atribuit cu o oarecare întârziere.

„Scribele”

De fapt, el a raportat unele dintre speculațiile sale în unele pagini de caiete, care au fost considerate greșit mâzgălituri și cărora, numai în 2016, datorită lucrărilor lui Ian Hutchings ^[2] , cercetător la Universitatea din Cambridge, i s-a dat dreptul importanţă. Datorită lui Hutchings, de fapt, este posibil să afirmăm că studiile lui Leonardo despre frecare au început în 1493 și că, datorită, de asemenea, ajutorului unor dispozitive precum planul înclinat și blocul tras de greutăți prin frânghii și scripeți, l-au adus la două considerente primare, care nu sunt altceva decât legile fricțiunii care sunt încă folosite astăzi:

forța de frecare care acționează între două suprafețe de alunecare este proporțională cu sarcina care acționează asupra lor cu un coeficient de 1/4 pentru toate corpurile examinate de acesta în cazul suprafețelor curate și netede;
fricțiunea este independentă de zona de contact dintre suprafețe;

De asemenea, Leonardo a adus o contribuție suplimentară la studiul fricțiunii, studiind fricțiunea de rulare și ajungând la concluzia importantă că acest tip de frecare nu este legat de alunecare, ci de un tip de contact care poate fi văzut ca o progresie a pașilor infinit de mici.

Primele studii privind frecarea în mijloacele de transport

În 1685 Robert Hooke , cunoscut pentru legea care reglementează forța elastică, a prezentat Societății Regale un eseu despre mijloacele de transport, care a tratat pe larg problema fricțiunii de rulare a roților, intitulată „Pe diferitele modalități de transport”. Potrivit lui Hooke, există două cauze principale de frecare atunci când vine vorba de roți și sol: deformarea materialelor implicate și aderența. Primul tip de rezistență este cauzat de eșecul solului de a returna aceeași forță furnizată de roată în faza de deformare. Cu toate acestea, în cazul aderenței, Hooke a observat că era nevoie de o nouă forță capabilă să detașeze cele două materiale ^[3] .

Legile fricțiunii și teoria asperităților

În 1699, Guillaume Amontons , necunoscând studiile lui Leonardo, a enunțat la rândul său primele două legi ale fricțiunii:

 Forța de frecare este proporțională cu sarcina.

Forța de frecare nu depinde de zona de contact.

Cu toate acestea, contribuția lui Amontons ^[4] la studiul tribologiei nu s-a încheiat aici. De fapt, el a realizat că rezistența cauzată de frecare a fost similară în unele materiale, cum ar fi fierul, cuprul, plumbul și lemnul, combinate între ele în toate modurile posibile și lubrifiate cu grăsime de porc; în plus, această rezistență sa dovedit a fi aproximativ o treime din sarcina aplicată. Continuând cu studiile sale, el a încercat, de asemenea, să explice care a fost originea fricțiunii și a atribuit-o proprietăților fizice ale suprafețelor în contact care, conform Amontons, nu erau perfect netede, dar aveau protuberanțe microscopice numite asperități . Fricțiunea, potrivit fizicianului francez, este legată tocmai de forța necesară pentru a depăși aceste asperități sau pentru a le deforma. Philippe de la Hire , un matematician francez care în anii imediat următori publicațiilor lui Amontons s-a ocupat de verificarea afirmațiilor sale, după ce a confirmat cele spuse de compatriotul său, a oferit un model explicativ în care rugozitatea suprafețelor este considerată ca arcuri elastice. Mai mult, el a considerat rugozitatea ca o cauză a uzurii, atunci când, din cauza frecării dintre două suprafețe, aceste protuberanțe sunt smulse de pe suprafața obiectului în cauză. În ceea ce privește baza matematică a acestor teorii privind asperitățile rigide în formă de dinți de ferăstrău, prima contribuție se datorează lui Leonhard Euler . Cine, în 1748-1750, afirmă că coeficientul de frecare static (din care el furnizează și simbolul încă în uz, μ) ar trebui să fie egal cu tangenta unghiului care descrie înclinația maximă a planurilor înclinate care constituie suprafețele de rugozitate . Studiile sale sunt, de asemenea, fundamentale pentru a observa diferența dintre coeficientul de frecare static și dinamic, de fapt el prevede un coeficient de frecare static mai intens decât cel dinamic.

Teoria coeziunii

Concomitent cu teoria asperităților, s-a dezvoltat și o teorie conform căreia fricțiunea se datorează, cel puțin parțial, unui efect de coeziune între suprafețele obiectelor în contact. Experimentul care a condus la aceste considerații a fost realizat de John Theophilus Desaguliers în anii 1820 și l-a determinat pe acesta din urmă să observe o aderență puternică între două bile de plumb. Aparatul experimental folosit de Desaguliers consta din două sfere de plumb de dimensiuni diferite, care au fost presate una de cealaltă cu mâinile și ulterior atârnate cu ajutorul unei frânghii atașate la una dintre cele două sfere. Odată ce aparatul a fost supus forței gravitaționale, s-a observat că sferele au rămas atașate, evidențiind astfel prezența unei forțe de aderență ^[5] . Ulterior, Desaguliers a încercat să modifice condițiile experimentului pentru a evalua efectele posibile și în mod surprinzător și-a dat seama că, contrar celor afirmate de teoria asperităților rigide, dacă sferele erau netezite cu un cuțit, fricțiunea dintre ele a crescut. Acest fapt a oferit o confirmare suplimentară a existenței unei forțe de aderență între metale. Desagulierii au observat această forță de aderență și în lemn, unde prezența apei a dus la un coeficient de frecare mai mare al lemnului umed decât cel al lemnului uscat. Prin urmare, fizicianul a concluzionat că, deși frecarea se datorează în mare parte rugozității, există o forță suplimentară care contribuie la aceasta, deși într-o măsură mai mică, care este dată exact de efectul de coeziune. Ca de obicei, toate aceste observații și concluzii au fost preluate și verificate de Samuel Vince în 1785, care a adăugat că fricțiunea dinamică a fost mai mică decât cea statică tocmai datorită prezenței unui efect de aderență în obiectele imobile.

A treia lege a fricțiunii

În Franța, spre sfârșitul secolului al XVIII-lea, cerințele tehnice, datorită nevoii de transport din ce în ce mai eficiente și a utilajelor noi, erau în continuă creștere și tocmai din acest motiv, Academia de Științe a oferit un premiu vizibil oricui. capabil să efectueze cel mai complet și exhaustiv studiu posibil asupra legilor fricțiunii. Premiul a fost acordat în 1781 lui Charles Augustin Coulomb datorită prezentării lucrării sale intitulată „Théorie des machines simples”.

În studiul său, Coulomb tratează separat problema frecării statice , pe care o studiază în funcție de diferite cauze posibile: natura suprafețelor în contact, aria suprafețelor, sarcina suportată și durata contactului ; și fricțiunea dinamică , care în schimb studiază prin observarea: natura suprafețelor în contact, aria suprafețelor, sarcina suportată și viteza relativă dintre suprafețe. Pentru a obține rezultate satisfăcătoare, Coulomb instalează aparate de dimensiuni mari cu sanii capabile să alunece pe diferite tipuri de materiale și să fie ponderate sau ușurate pentru a evalua diferitele sarcini. După repetarea și repetarea experimentelor sale, evaluarea diferitelor condiții inițiale și studierea în principal a materialelor necesare în scopuri industriale, cum ar fi lemnul, fierul sau cuprul, fizicianul a obținut o formulă empirică capabilă să descrie rezultatele obținute pentru frecare statică:

$F={(A+mt^{\alpha }) \over (C+t^{\alpha })}$ ${\ displaystyle F = {(A + mt ^ {\ alpha}) \ over (C + t ^ {\ alpha})}}$ ${\ displaystyle F = {(A + mt ^ {\ alpha}) \ over (C + t ^ {\ alpha})}}$

care tinde spre o valoare finită m per $t\rightarrow \infty$ ${\ displaystyle t \ rightarrow \ infty}$ ${\ displaystyle t \ rightarrow \ infty}$ În cazul fricțiunii dinamice, el a ajuns la afirmația importantă, cunoscută acum ca a treia lege a fricțiunii, conform căreia fricțiunea dinamică este independentă de viteză. Cu toate acestea, este necesar să observăm că această afirmație este de fapt o generalizare a ceea ce este descris în „Théorie des machines simples”, unde Coulomb a distins caz cu caz (metal cu metal, metal cu lemn etc.) dependența materialelor de viteză și a declarat doar pentru metale că forța de frecare este independentă de zona de contact și de viteză. Coulomb a studiat, de asemenea, frecarea rulării , afirmând că forța conectată la aceasta trebuie să fie direct proporțională cu sarcina și invers proporțională cu raza cilindrului studiat. În ceea ce privește cauzele fricțiunii, Coulomb a reluat lucrările privind rugozitatea și coeziunea colegilor săi și a concluzionat că prima cauză trebuia să fie blocarea și deformarea rugozității, în timp ce coeziunea ar avea în continuare o influență marginală, deoarece este direct proporțională „cu numărul de puncte de contact sau la suprafața suprafețelor " ^[6] .

Fricțiunea de rulare

În ceea ce privește fricțiunea și originile sale, la mijlocul secolului al XIX-lea existau două curente diferite de gândire. Arthur Jules Morin a susținut că fricțiunea la rulare, pe care a numit-o rezistență la rulare, era proporțională cu sarcina și invers proporțională cu raza cilindrului care trebuie rulat, confirmând astfel ceea ce Coulomb a spus mai devreme. Dimpotrivă, Arsène Dupit a oferit interpretarea interesantă conform căreia fricțiunea de rulare este de fapt legată de un fenomen de histerezis elastic al materialelor. Suprafața de susținere, datorită sarcinii, este deformată și, după îndepărtarea sarcinii, nu își recapătă imediat proprietățile inițiale, dar rămâne deformată pentru o anumită perioadă de timp, redând astfel o forță mai mică în faza de decompresie decât cea primită în faza de compresie. Această interpretare nu a fost luată în considerare la momentul respectiv, ci a fost reevaluată doar în anii 1950 datorită studiilor lui Bowden și Tabor.

Teoria contactului între solide

În 1881, Henrich Rudolph Hertz stabilește o teorie fundamentală pentru calculele privind deformarea asperităților: teoria contactului dintre solidele elastice netede și supuse unei sarcini. Această teorie oferă instrumente matematice pentru a determina lățimea și adâncimea zonelor de contact dintre solide, precum și distribuția presiunilor și tensiunilor în aceste zone.

Teoria frecării moleculare

Căutarea motivelor fricțiunii a fost din ce în ce mai adâncă, până a ajuns la o teorie moleculară a fricțiunii propusă de Tomlinson în 1929. Tomlinson credea că interacțiunile dintre molecule și atomi ai corpurilor au cauzat o pierdere de energie, pe care a redistribuit-o în posibil grade interne de libertate a solidelor, provocând astfel o creștere a temperaturii suprafețelor în contact. Datorită acestei idei inițiale, fizicianul a reușit să organizeze câteva experimente care i-au permis să definească ecuații capabile să exprime coeficientul de frecare glisant μ și coeficientul de frecare de rulare λ în funcție de anumite cantități specifice ale moleculelor și interacțiunile lor și de asemenea, pentru a deduce raportul dintre cei doi coeficienți: ${\lambda \over \mu }={3 \over 4}{e \over a}$ ${\ displaystyle {\ lambda \ over \ mu} = {3 \ over 4} {e \ over a}}$ ${\ displaystyle {\ lambda \ over \ mu} = {3 \ over 4} {e \ over a}}$ unde e este distanța intermoleculară medie a solidului și a este jumătatea lățimii zonei de contact dintre plan și cilindru ^[7] .

Teoriile lubrifierii

La începutul secolului al XIX-lea, datorită inovațiilor continue cerute de Revoluția Industrială, erau necesare studii tribologice din ce în ce mai aprofundate. În această perioadă au fost extinse studiile în domeniul lubrifierii și uzurii materialelor. Unul dintre cei mai importanți cărturari ai lubrifierii a fost Gustave-Adolphe Hirn , despre care este discutat exhaustiv într-un articol din revista Nature cu ocazia morții sale în ianuarie 1890 din cauza unei epidemii de gripă.

Hirn s-a ocupat, printre altele, de importanța problemă economică a lubrifierii mașinilor și a învins prejudecățile anterioare privind utilizarea uleiurilor minerale în acest scop. De asemenea, el a demonstrat experimental că, în timp ce vechile legi ale fricțiunii enunțate de Morin erau suficient de exacte în cazul unui metal uscat în contact cu altul, aceste legi trebuiau modificate considerabil în cazul suprafețelor bine lubrifiate, cum ar fi pentru mașini . Fricțiunea variază acum ca rădăcină pătrată a presiunii și ca suprafață și viteză; astfel încât teoria să cadă în cea a fluxului vâscos de lichide. Aceste legi au fost confirmate recent de experimente efectuate sub patronajul Instituției inginerilor mecanici (Nature, februarie 1890, AG Greenhill) ^[8] .

În 1883, o explicație matematică a teoriei lubrifierii a fost dată de Nikolai Pavlovitch Petrov , care se baza pe dinamica fluidelor vâscoase. Cunoscuta formulă Petrov, de fapt, descrie momentul de frânare prin frecare M a unui cilindru cu raza r care se deplasează cu viteza unghiulară inserted, introdus într-un cilindru concentric cu raza r + d, formând astfel un rulment: $M={{\eta A\omega r^{2}} \over {d}}$ ${\ displaystyle M = {{\ eta A \ omega r ^ {2}} \ over {d}}}$ ${\ displaystyle M = {{\ eta A \ omega r ^ {2}} \ over {d}}}$ unde A este aria prezentă între cilindri și η vâscozitatea lichidului de lubrifiere plasat între cilindri.

În aceiași ani, B. Tower și O. Reynolds, doi oameni de știință, membri ai Comitetului de cercetare a fricțiunilor înființat de Instituția inginerilor mecanici , au adus dezvoltări fundamentale în domeniul tribologic. Prima a sugerat soluții indispensabile pentru a limita pierderile de ulei lubrifiant din mașini; al doilea a elaborat teoria clasică a ungerii hidrodinamice, încă în uz astăzi. Reynolds a ajuns la determinarea ecuațiilor diferențiale care reglează distribuția presiunii și a tensiunilor la care este supus lubrifiantul în timpul mișcării ^[9] .

Teoriile uzurii

Fenomenul uzurii a fost luat în considerare la începutul anilor 1900 pentru a limita efectele sale și pentru a îmbunătăți performanțele industriale. Printre cei mai vechi cărturari ai uzurii îl găsim pe Ragnar Holm , care în 1946 afirmă că suprafețele aspre ale materialelor vin în contact doar acolo unde ating atingerile cele mai mari, iar în acest contact există o anumită probabilitate ca un atom să fie îndepărtat de pe suprafața solidul. Holm a venit cu o ecuație care dă volumul de material eliminat pe unitate de lungime:

${V \over l}={{kW} \over p_{0}}$ ${\ displaystyle {V \ over l} = {{kW} \ over p_ {0}}}$ ${\ displaystyle {V \ over l} = {{kW} \ over p_ {0}}}$

cu $p_{0}$ ${\ displaystyle p_ {0}}$ ${\ displaystyle p_ {0}}$ presiunea de cedare a materialului.

În 1952, Burwell și Strang au susținut că îndepărtarea nu se referă la atomi unici, ci la grupuri de atomi mulți, coroborându-și ipoteza prin intermediul experimentelor care implică utilizarea trasorilor radioactivi. Mai mult, cei doi oameni de știință au observat că pentru presiuni nu prea mari o relație similară cu cea a lui Holm a fost valabilă cu un raport de proporționalitate directă între V / l și sarcina W , în timp ce pentru presiuni foarte mari uzura a crescut considerabil.

Toate aceste ipoteze au fost preluate și studiate și de Archard care, în 1953, și-a propus reinterpretarea conform căreia contactul dintre suprafețe ar putea fi simplificat într-un contact între asperități sferice de diferite înălțimi și, de asemenea, diferite formule pentru rata de uzură:

${V \over l}=kW^{n}$ ${\ displaystyle {V \ over l} = kW ^ {n}}$ ${\ displaystyle {V \ over l} = kW ^ {n}}$

unde n exprimă dependența de tipul de deformare și de forma particulelor produse.

În 1957, Burwell, într-un articol intitulat „Studiul unei posibile mașini de uzură ^[10] ”, a împărțit uzura în patru tipuri, pe baza cunoștințelor actuale:

S-ar părea, așadar, că cel mai bun mod de a aborda problema înțelegerii și, prin urmare, de a prezice uzura, este să recunoaștem faptul că termenul unic „uzură” include de fapt cel puțin patru fenomene principale distincte și independente, care au doar unul lucru în comun, că rezultatul lor final este îndepărtarea materialului solid de pe suprafețele de frecare. Deci, în loc să vorbim doar despre „uzură”, ne va ajuta gândirea dacă recunoaștem următoarele tipuri distincte de uzură:

Uzură adezivă sau iritantă;
Uzură abrazivă și ascuțită;
Uzură corozivă;
Oboseala suprafeței;
Tipuri minore.

(Studiul unei posibile mașini de uzură - Burwell)

Uzura ulterioară a fost, de asemenea, împărțită în uzură moderată și uzură severă , în funcție de dimensiunea particulelor produse, rezistența contactelor și efectele întâlnite pe suprafețe. Principala cauză a uzurii moderate a fost identificată de Terence FJ Quinn în 1971 în fenomenele de interacțiune dintre corp și mediu ^[11] . Mai târziu, în 1987, sunt dezvoltate hărți de cămătărie, care ne permit să „apreciem unele consistențe existente ale unui subiect aparent foarte complex”, grație lucrărilor lui Lim Seh Chun și Ashby ^[12] .

Nașterea tribologiei

Summa Tribologica în lucrările lui Bowden și Tabor

La mijlocul secolului, Franck Philip Bowden și David Tabor au decis să aprofundeze și să grupeze toate cunoștințele cunoscute despre frecare, lubrifiere și uzură. Datorită numeroaselor experimente pe care le-au dezvoltat, au reușit să ofere o nouă interpretare a legilor lui Amontons, considerate încă punctul de referință fundamental pentru studiile în acest domeniu. Bowden și Tabor au afirmat că contactul dintre două suprafețe nu privește întreaga zonă a acestora, ci o zonă mult mai mică dată doar de contactul asperităților superioare. În aceste mici zone de contact există o creștere a temperaturii, dată de presiunea puternică la care sunt supuse, presiune care poate provoca și deformări puternice. Datorită celor ce tocmai s-au spus, există un fenomen de aderență puternică între aspere, care poate fi separat numai prin intermediul unei solicitări de forfecare t , prin urmare forța de frecare poate fi exprimată ca: ${\vec {F}}_{a}={\vec {t}}\cdot A_{r}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {a} = {\ vec {t}} \ cdot A_ {r}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {a} = {\ vec {t}} \ cdot A_ {r}}$ , unde este $A_{r}$ ${\ displaystyle A_ {r}}$ ${\ displaystyle A_ {r}}$ este zona reală de contact ^[13] . Acum, dacă presiunea atinge o anumită valoare $p_{0}$ ${\ displaystyle p_ {0}}$ ${\ displaystyle p_ {0}}$ (presiunea de curgere), asperitățile pot suferi zdrobiri suplimentare, atunci este posibil să se spună că aria de contact este proporțională cu sarcina la care este supus corpul, ${\vec {W}}=p_{0}A_{r}$ ${\ displaystyle {\ vec {W}} = p_ {0} A_ {r}}$ ${\ displaystyle {\ vec {W}} = p_ {0} A_ {r}}$ ; prin urmare, ecuația anterioară poate fi scrisă ca: ${\vec {F}}_{a}={{s{\vec {W}}} \over p_{0}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {a} = {{s {\ vec {W}}} \ over p_ {0}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {a} = {{s {\ vec {W}}} \ over p_ {0}}}$ , unde luând în considerare legile lui Amontons obținem un coeficient de frecare egal cu $\mu ={s/p_{0}}$ ${\ displaystyle \ mu = {s / p_ {0}}}$ ${\ displaystyle \ mu = {s / p_ {0}}}$ . Ulterior, cei doi autori au furnizat o valoare mai precisă a coeficientului de frecare, care trebuia să fie de tipul: $\mu ={s \over p_{0}}[1-\alpha (s/p_{0})^{2}]^{-1/2}$ ${\ displaystyle \ mu = {s \ over p_ {0}} [1- \ alpha (s / p_ {0}) ^ {2}] ^ {- 1/2}}$ ${\ displaystyle \ mu = {s \ over p_ {0}} [1- \ alpha (s / p_ {0}) ^ {2}] ^ {- 1/2}}$ .

Pentru a confirma afirmațiile lor, Bowden și Tabor au estimat dimensiunea suprafeței reale aplicând o tensiune electrică la două metale în contact și măsurând curentul obținut. În acest moment au obținut cu ușurință zona de contact datorită proporționalității sale directe cu conductivitatea dintre cele două corpuri. În cazul fricțiunii dinamice , Bowden și Tabor s-au concentrat asupra fenomenului aratului sau, mai bine zis , asupra apariției canelurilor pe una dintre cele două suprafețe în contact, datorită pătrunderii rugozității unui corp în celălalt. Pot exista deformări permanente, adică plastice sau deformări capabile de vindecare, adică elastice. În acest din urmă caz, revenirea la condițiile inițiale implică o pierdere de energie datorată histerezisului. Un alt fenomen care nu a fost subestimat de cei doi oameni de știință este al treilea corp , sau prezența unui al treilea element între cei doi în contact, compus din impurități precum oxizi, grăsimi sau umiditate. În contact între două metale, de exemplu, traseul oxidului creat pe suprafețe are efecte decisive asupra fricțiunii: în mod normal scade fricțiunea, dar dacă este degradată, crește ^[14] .

Comisia Jost

Peter Jost

În 1966, guvernul britanic, datorită lucrărilor lui Bowden și Tabor, a înțeles importanța fundamentală a studiilor privind fricțiunea, uzura și lubrifierea pentru sectorul industrial și a decis să reunească un grup de cercetători cu scopul de a redacta un raport care să includă toate cunoștințele obținute și o listă a oricăror domenii de cercetare noi pe acest subiect. În raport, numit „Raport Jost” (în onoarea președintelui comisiei de oameni de știință), fricțiunea, uzura și lubrifierea au fost unificate sub denumirea de Tribologie , sau „știința și tehnologia interacțiunii suprafețelor în mișcare relativă și a substanțelor și practică relativă ".

Fizică ^[15] ^[16]

Fricțiunea

Cuvântul frecare derivă din „Terere“ latină, ceea ce înseamnă că pentru a freca. Acest termen este folosit pentru a descrie toate acele fenomene disipative, capabile să producă căldură și să reziste mișcării relative dintre două suprafețe. Există două tipuri principale de frecare:

Fricțiune statică , care apare între suprafețe în stare de repaus;
Fricțiune dinamică , care apare între suprafețe în mișcare relativă;

Studiul fenomenelor de frecare este un studiu predominant empiric și nu permite să se ajungă la rezultate precise, ci doar la concluzii aproximative utile. Această incapacitate de a obține un rezultat clar se datorează complexității extreme a fenomenului, pe care cu cât este mai atent studiat, cu atât mai multe elemente noi le prezintă, care, la rândul lor, fac descrierea globală și mai complexă ^[17] .

Legile uzurii

Toate teoriile și studiile privind fricțiunea pot fi simplificate în trei legi principale, care sunt valabile în majoritatea cazurilor:

 Prima lege a amontonilor. Fricțiunea este independentă de zona aparentă de contact;

A doua lege a amontonilor. Forța de frecare este direct proporțională cu sarcina normală;

A treia lege a lui Coulomb. Fricțiunea dinamică este independentă de viteza relativă de alunecare.

Fricțiune statică ^[18]

Luați în considerare un bloc cu o anumită masă m , plasat în repaus pe un plan orizontal. Dorind să mutați blocul acum, se aplică o forță externă ${\vec {F}}_{est}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {est}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {est}}$ , procedând astfel, observăm o anumită rezistență la mișcare dată de o forță egală și opusă celei aplicate, care este tocmai forța statică de frecare ${\vec {F}}_{a.s.}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {as}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {a.s.}}$ . Prin creșterea continuă a forței aplicate, se atinge o valoare astfel încât blocul începe să se miște instantaneu. În acest moment, luând în considerare și primele două legi ale frecării enunțate mai sus, este posibil să se definească forța de frecare statică ca o forță egală în modul cu forța minimă necesară pentru a provoca mișcarea blocului și coeficientul de frecare static. ca raportul forței de frecare statice ${\vec {F}}_{a.s.}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {as}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {a.s.}}$ și forța normală la bloc ${\vec {N}}$ ${\ displaystyle {\ vec {N}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {N}}}$ , obținând astfel:

$\ F_{a.s.}\leq \mu \ N$ ${\ displaystyle \ F_ {as} \ leq \ mu \ N}$ ${\ displaystyle \ F_ {a.s.} \ leq \ mu \ N}$

Fricțiune dinamică

Odată ce blocul a fost pus în mișcare, o forță de frecare va continua să acționeze asupra sa, mai mică decât cea a fricțiunii statice, care este forța dinamică de frecare. ${\vec {F}}_{a.d.}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {ad}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {a.d.}}$ . În acest caz, este necesar să se ia în considerare nu numai primele două legi ale Amontonilor, ci și legea lui Coulomb, pentru a putea afirma că relația dintre forța dinamică de frecare ${\vec {F}}_{a.d.}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {ad}}$ ${\ displaystyle {\ vec {F}} _ {a.d.}}$ coeficientul de frecare dinamic k și forța normală ${\vec {N}}$ ${\ displaystyle {\ vec {N}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {N}}}$ este următorul:

$\ F_{a.d}=k{\ N}$ ${\ displaystyle \ F_ {ad} = k {\ N}}$ ${\ displaystyle \ F_ {a.d} = k {\ N}}$

Grafic care descrie relația dintre frecarea statică și dinamică

Coeficientul de frecare static și dinamic

A questo punto è possibile riassumere le proprietà principali dei coefficienti di attrito statico $\mu$ $\mu$ $\mu$ e dinamico k . Tali coefficienti sono quantità adimensionali, date dal rapporto tra l'intensità della forza d'attrito ${\vec {F}}_{a.}$ ${\vec {F}}_{a.}$ ${\vec {F}}_{a.}$ e l'intensità del carico applicato ${\vec {W}}$ ${\vec {W}}$ ${\vec {W}}$ , dipendono dal tipo di superfici che vengono coinvolte in un contatto reciproco, e, in ogni caso, vale sempre la condizione tale per cui:

$\mu >k$ $\mu >k$ $\mu >k$

Solitamente, il valore di entrambi i coefficienti non supera l'unità e può essere considerato costante solamente all'interno di determinati intervalli di forze e velocità, al di fuori dei quali si presentano condizioni estreme che modificano tali coefficienti.

Tabella dei valori dei coefficienti di attrito statico e dinamico in alcuni casi
Superfici in contatto	Attrito Statico $\mu$ $\mu$ $\mu$	Attrito Dinamico $k$ ${\displaystyle k}$ $k$
Legno-Legno	0.25-0.5	0.2
Legno-Cartone	0.32	0.23
Ghiaccio-Ghiaccio	0.1	0.02
Sci in legno sciolinato-Neve	0.04	0.04
Vetro-Vetro	0.9-1.0	0.4
Acciaio-Acciaio (Liscio)	0.6	0.6
Acciaio-Acciaio (Lubrificato)	0.09	0.05
Acciaio-Ghiaccio	0.1	0.05
Acciaio-Ghiaccio (Secco)	0.78	0.42
Acciaio-Alluminio	0.61	0.47
Acciaio-Ottone	0.51	0.44
Acciaio-Aria	0.001	0.001
Acciaio-Teflon	0.04	0l04
Teflon-Teflon	0.04	0.04
Gomma-Cemento (Secco)	1.0	0.8
Gomma-Cemento (Bagnato)	0.7	0.5
Rame-Acciaio	0.53	0.36
Rame-Vetro	0.68	0.53
Giunture sinoviali nell'uomo	0.01	0.003

Attrito Volvente

Nel caso di corpi capaci di rotolamento si è in presenza di un particolare tipo di attrito, in cui non si verifica il fenomeno dello strisciamento, tipico dell'attrito dinamico, ma è comunque presente una forza che si oppone al moto, che esclude anche il caso dell'attrito statico. Tale tipologia di attrito è definita volvente . Si vuole ora osservare nel dettaglio cosa accade ad una ruota che rotola su un piano orizzontale. Inizialmente la ruota è immobile e le forze che agiscono su di essa sono la forza peso $m{\vec {g}}$ $m{\vec {g}}$ $m{\vec {g}}$ e la forza normale ${\vec {N}}$ ${\vec {N}}$ ${\vec {N}}$ data dalla risposta al peso del pavimento. A questo punto la ruota viene messa in moto, provocando uno spostamento nel punto di applicazione della forza normale che si trova ora applicata davanti al centro della ruota, ad una distanza b , che è pari al valore del coefficiente di attrito volvente. L'opposizione al moto è causata dalla separazione della forza normale e della forza peso nel momento esatto in cui inizia il rotolamento, quindi il valore del momento torcente dato dalla forza di attrito volvente è

$M_{a.v.}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}$ $M_{av}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}$ $M_{a.v.}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}$

Attrito Volvente

Quello che avviene nel dettaglio a livello microscopico tra ruota e piano d'appoggio, è descritto nella figura, dove si può osservare qual è l'andamento delle forze di reazione del piano deformato che agiscono su una ruota immobile. Rotolando la ruota provoca continuamente delle impercettibili deformazioni del piano e, una volta passata ad un punto successivo, il piano torna nel suo stato iniziale. Nella fase di compressione il piano si oppone al moto della ruota, mentre nella fase di decompressione fornisce un contributo positivo al moto. La forza di attrito volvente dipende, quindi, dalle piccole deformazioni subite dal piano di appoggio e dalla ruota stessa, e può essere espressa come

${\vec {F}}_{v}=b\cdot {\vec {N}}$ ${\vec {F}}_{v}=b\cdot {\vec {N}}$ ${\vec {F}}_{v}=b\cdot {\vec {N}}$

dove è possibile esprimere b in relazione al coefficiente di attrito radente $\mu$ $\mu$ $\mu$

$b={\mu v \over r}$ $b={\mu v \over r}$ $b={\mu v \over r}$

con r il raggio della ruota.

Le Superfici

Vista la complessità dei fenomeni che riguardano l'attrito, è importante capire qual è il contributo fornito dalle proprietà dei materiali e delle superfici coinvolte. Se si considera un corpo metallico qualsiasi e si analizza al microscopio una delle sue superfici, precedentemente levigata, contrariamente a quello che ci si potrebbe aspettare, questa non risulta liscia e delimitata da una perfetta linea retta, anzi presenta increspature e irregolarità simili a quelle di una microscopica catena montuosa, chiamate asperità . Andando poi ancora più in profondità, è possibile studiare non solo la superficie più esterna del metallo, ma anche gli stati immediatamente più interni, legati alla storia del metallo, alla sua composizione e ai processi di lavorazione subiti da quest'ultimo. È possibile suddividere il metallo in quattro strati differenti:

Struttura cristallina: struttura base del metallo;
Strato lavorato: strato che può presentare anche delle inclusioni di materiale estraneo e che deriva dai processi di lavorazione a cui è stato sottoposto il metallo;
Strato Indurito: presenta una struttura cristallina di durezza maggiore rispetto agli strati interni, grazie al rapido raffreddamento a cui sono sottoposti nei processi di lavorazione;
Strato esterno o di ossidi: strato che si viene a creare grazie alle interazioni con l'ambiente del metallo e al depositarsi di impurità;

Lo strato di ossidi e impurità ( third body ) riveste una fondamentale importanza tribologica, infatti contribuisce a ridurre l'attrito. Un altro fatto di fondamentale importanza riguardante gli ossidi è che se si riuscisse a pulire e levigare la superficie in modo da ottenere una superficie di metallo "puro", quello che si andrebbe ad osservare è l'unione delle due superfici in contatto. Difatti, in assenza di sottili strati di contaminanti, gli atomi del metallo in questione, non sono in grado di distinguere un corpo dall'altro, andando così a formare un corpo unico se messi in contatto.

L'origine dell'attrito

Il contatto tra superfici, in realtà, è un contatto tra asperità e l'origine del fenomeno dell'attrito, e quindi della dissipazione dell'energia, è riconducibile proprio alle deformazioni che tali asperità subiscono a causa del carico e del movimento relativo. Si possono osservare deformazioni plastiche, elastiche o di rottura:

Deformazioni Plastiche: deformazioni permanenti della forma delle asperità;
Deformazioni Elastiche: deformazioni in cui l'energia spesa nella fase di compressione viene quasi interamente recuperata nella fase di decompressione (isteresi elastica);
Deformazioni di Rottura: deformazioni che comportano la rottura delle asperità e la creazione di nuove aree di contatto.

L'energia che viene dissipata durante il fenomeno, si trasforma in calore, aumentando così la temperatura delle superfici in contatto. L'aumento di temperatura dipende anche dalla velocità relativa e dalla rugosità del materiale, può essere così elevato da portare addirittura alla fusione dei materiali coinvolti. Il coinvolgimento nei fenomeni d'attrito della temperatura è fondamentale sotto molti aspetti applicativi, un esempio si può trovare nel caso dei freni. Se la temperatura sale troppo il rischio è quello di una riduzione eccessiva del coefficiente di attrito e conseguentemente una brusca riduzione dell'efficacia dei freni.

La Teoria dell'Adesione

La teoria dell'adesione afferma che nel caso di asperità sferiche in contatto tra loro, sottoposte ad un carico ${\vec {W}}$ ${\vec {W}}$ ${\vec {W}}$ , si osserva una deformazione, che, all'aumentare del carico, passa da una deformazione elastica ad una plastica. Questo fenomeno comporta un ampliamento dell'area reale di contatto $A_{r}$ $A_{r}$ $A_{r}$ , che per questo si può esprimere come:

$A_{r}={{\vec {W}} \over D}$ $A_{r}={{\vec {W}} \over D}$ $A_{r}={{\vec {W}} \over D}$

dove D è la durezza del materiale definibile come il carico applicato diviso per l'area della superficie di contatto.

Se a questo punto si fanno scorrere le due superfici tra di loro, si osserva una resistenza allo sforzo di taglio t, data dalla presenza di legami adesivi, che si sono creati proprio a causa delle deformazioni plastiche, e quindi la forza di attrito sarà data da

${\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}$ ${\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}$ ${\vec {F}}_{a}=A_{r}{\vec {t}}$

A questo punto, poiché il coefficiente d'attrito è il rapporto tra l'intensità della forza d'attrito e quella del carico applicato, è possibile affermare che

$\mu ={t \over D}$ $\mu ={t \over D}$ $\mu ={t \over D}$ ponendo così in relazione $\mu$ $\mu$ $\mu$ con le due proprietà dei materiali: resistenza allo sforzo di taglio t e durezza D. Si osservi che per ottenere dei coefficienti d'attrito di basso valore si può ricorrere a materiali che richiedono uno minore sforzo di taglio, ma che siano anche molto duri. Nel caso dei lubrificanti, infatti, si ricorre proprio a un substrato di materiale con basso sforzo di taglio t , posto su un materiale molto duro.

Occorre osservare che la forza che agisce tra due solidi in contatto non avrà solamente componenti normali, come sottinteso finora, bensì presenterà anche componenti tangenziali. Questo complica ulteriormente la descrizione delle interazioni tra asperità, poiché a causa di questa componente tangenziale la deformazione plastica sopraggiunge con un carico minore rispetto a quando si ignora tale componente. Una descrizione più realistica quindi dell'area di ogni singola giunzione che si viene a creare è data da

${A_{i}}^{2}=({{\vec {W}}_{i}/D})^{2}+\alpha ({\vec {F}}_{i}/D)^{2}$ ${A_{i}}^{2}=({{\vec {W}}_{i}/D})^{2}+\alpha ({\vec {F}}_{i}/D)^{2}$ ${A_{i}}^{2}=({{\vec {W}}_{i}/D})^{2}+\alpha ({\vec {F}}_{i}/D)^{2}$

con $\alpha$ $\alpha$ $\alpha$ costante e $F_{i}$ $F_{i}$ $F_{i}$ forza "tangente" applicata alla giuntura.

Per ottenere considerazioni ancora più realistiche, occorre prendere in considerazione anche il fenomeno del third body , ovvero la presenza di materiali estranei, come umidità, ossidi o lubrificanti, tra i due solidi in contatto. Si introduce quindi un coefficiente c capace di correlare la resistenza al taglio t del materiale "puro" e quella del third body $t_{t.b.}$ $t_{tb}$ $t_{t.b.}$

$t=c\cdot t_{t.b.}$ $t=c\cdot t_{tb}$ $t=c\cdot t_{t.b.}$ con $0<c<1$ ${\displaystyle 0<c<1}$ $0<c<1$ .

Studiando il comportamento ai limiti si avrà che per c=0 t=0 e per c=1 si torna nella condizione in cui le superfici sono direttamente in contatto e non si ha presenza di un third body . Tenendo presente quanto appena detto, è possibile correggere la formula del coefficiente di attrito come segue

$\mu ={{c} \over {[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}$ $\mu ={{c} \over {[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}$ $\mu ={{c} \over {[\alpha (1-c^{2})]^{1/2}}}$

Si considera, in conclusione, il caso di corpi elastici in interazione tra loro.

Similmente a quanto appena visto, è possibile definire un'equazione del tipo

$A=K{\vec {W}}$ $A=K{\vec {W}}$ $A=K{\vec {W}}$

dove, in questo caso, K dipende dalle proprietà elastiche dei materiali. Anche per i corpi elastici la forza tangenziale dipende dal coefficiente c visto in precedenza, e sarà

${\vec {F}}_{T}=cAs$ ${\vec {F}}_{T}=cAs$ ${\vec {F}}_{T}=cAs$

e quindi si può ottenere una descrizione abbastanza esaustiva del coefficiente d'attrito

$\mu =cKs$ $\mu =cKs$ $\mu =cKs$ .

Misure d'attrito

Il metodo più semplice ed immediato per valutare il coefficiente di attrito di due superfici, è l'utilizzo di un piano inclinato su cui viene fatto scorrere un blocco di materiale. La forza normale al piano è data da $mgcos\theta$ $mgcos\theta$ $mgcos\theta$ , mentre la forza d'attrito è pari a $mgsin\theta$ $mgsin\theta$ $mgsin\theta$ . Questo ci permette di affermare che il coefficiente di attrito è calcolabile con estrema facilità, per mezzo della tangente dell'angolo in cui il blocco inizia a scivolare. Infatti si ha

$\mu ={F_{a} \over N}={mgsin\theta \over mgcos\theta }={sin\theta \over cos\theta }=tan\theta$ $\mu ={F_{a} \over N}={mgsin\theta \over mgcos\theta }={sin\theta \over cos\theta }=tan\theta$ $\mu ={F_{a} \over N}={mgsin\theta \over mgcos\theta }={sin\theta \over cos\theta }=tan\theta$

Dal piano inclinato si è poi passati a sistemi più sofisticati, che permettono di considerare tutte le possibili condizioni ambientali in cui viene fatta la misura, come la macchina a cilindri incrociati o la macchina a perno e disco . Oggi esistono macchinari digitali come il "Friction Tester" che permette, per mezzo di un supporto software, di inserire tutte le variabili desiderate. Un altro processo molto usato è il test di compressione dell'anello . Un anello piatto del materiale che si vuole studiare viene deformato plasticamente per mezzo di una pressa, se la deformazione è un'espansione sia nel cerchio interno che in quello interno, allora si avranno coefficienti di attrito bassi o nulli. Altrimenti per una deformazione che si espande solamente nel cerchio interno si avranno coefficienti di attrito crescenti.

Lubrificazione

Per diminuire l'attrito tra superfici e tenerne sotto controllo l'usura si utilizzano dei materiali chiamati lubrificanti ^[19] . Diversamente da quanto si potrebbe pensare, questi non sono solamente oli o grassi, bensì qualsiasi materiale fluido che sia caratterizzato da viscosità, come aria e acqua. Naturalmente, alcuni lubrificanti sono più adatti di altri, a seconda del tipo di utilizzo a cui sono destinati: aria e acqua, per esempio, sono facilmente reperibili, ma la prima può essere utilizzata solamente in condizioni di carico e velocità ristrette, mentre la seconda può contribuire a sua volta all'usura dei materiali ^[20] . Quello che si cerca di ottenere per mezzo di questi materiali è una lubrificazione a fluido perfetta , ovvero una lubrificazione tale per cui si riesce ad evitare il contatto diretto tra le superfici in questione, inserendo tra queste un film di lubrificante ^[21] . Per fare ciò esistono due possibilità, a seconda del tipo di applicazione, dei costi che si vogliono affrontare e del livello di "perfezione" della lubrificazione, che si vuole ottenere, è possibile scegliere tra:

La lubrificazione fluidostatica (o idrostatica nel caso di oli minerali) : che consiste nell'inserimento di materiale lubrificante sotto pressione tra le superfici in contatto;
La lubrificazione fluidodinamica (o idrodinamica) : che consiste nello sfruttamento del moto relativo tra le superfici per far penetrare il materiale lubrificante.

Viscosità

La viscosità è il corrispettivo dell'attrito nei fluidi, descrive, infatti, la capacità dei fluidi di resistere alle forze che ne provocano un cambiamento di forma. Grazie agli studi di Newton si è raggiunta una comprensione più profonda del fenomeno. Egli, infatti, introdusse il concetto di flusso laminare }: un flusso nel quale la velocità cambia di strato in strato . È possibile suddividere idealmente un fluido compreso tra due superfici ( $S_{1}$ $S_{1}$ $S_{{1}}$ , $S_{2}$ $S_{2}$ $S_{{2}}$ ) di area A , in vari strati. Lo strato in contatto con la superficie $S_{2}$ $S_{2}$ $S_{{2}}$ , la quale si muove con una velocità v a causa di una forza applicata F , avrà la stessa velocità v della lastra, mentre ogni strato immediatamente successivo varierà tale velocità di una quantità dv , fino ad arrivare allo strato in contatto con la superficie immobile $S_{1}$ $S_{1}$ $S_{{1}}$ , che avrà velocità nulla. Da quanto detto, è possibile affermare che la forza F , necessaria a provocare un moto laminare in un fluido contenuto tra due lastre, è proporzionale all'area delle due superfici e al gradiente di velocità:

$F\propto A{dv \over dy}$ $F\propto A{dv \over dy}$ $F\propto A{dv \over dy}$

A questo punto si può introdurre una costante $\mu$ $\mu$ $\mu$ di proporzionalità, che corrisponde al coefficiente di viscosità dinamica del fluido, per ottenere la seguente equazione, nota come legge di Newton

$F=\mu A{dv \over dy}$ $F=\mu A{dv \over dy}$ $F=\mu A{dv \over dy}$ .

La velocità varia della stessa quantità dv di strato in strato e quindi si verifica la condizione tale per cui $dv/dy=v/L$ ${\displaystyle dv/dy=v/L}$ $dv/dy=v/L$ , dove L è la distanza tra le superfici $S_{1}$ $S_{1}$ $S_{{1}}$ ed $S_{2}$ $S_{2}$ $S_{{2}}$ , e si può quindi semplificare l'equazione precedente scrivendo

$F=\mu A{v \over L}$ $F=\mu A{v \over L}$ $F=\mu A{v \over L}$

La viscosità $\mu$ $\mu$ $\mu$ è alta nei fluidi che si oppongono con forza al moto, mentre è contenuta per i fluidi che scorrono con facilità.

Tabella dei valori del coefficiente di viscosità per alcuni fluidi
Fluido	$\mu (Pa\cdot s)$ $\mu (Pa\cdot s)$ $\mu (Pa\cdot s)$
$CO_{2}$ $CO_{2}$ $CO_{2}$	$1.5\cdot 10^{-4}$ $1.5\cdot 10^{-4}$ $1.5\cdot 10^{-4}$
Aria	$1.8\cdot 10^{-5}$ $1.8\cdot 10^{-5}$ $1.8\cdot 10^{-5}$
Benzina	$2.9\cdot 10^{-4}$ $2.9\cdot 10^{-4}$ $2.9\cdot 10^{-4}$
Acqua (90 °C)	$0.32\cdot 10^{-3}$ $0.32\cdot 10^{-3}$ $0.32\cdot 10^{-3}$
Acqua (20 °C)	$1.0\cdot 10^{-3}$ $1.0\cdot 10^{-3}$ $1.0\cdot 10^{-3}$
Sangue (37 °C)	$4.0\cdot 10^{-3}$ $4.0\cdot 10^{-3}$ $4.0\cdot 10^{-3}$
Olio Lubrificante (20 °C)	$0.03$ ${\displaystyle 0.03}$ $0.03$
Olio Lubrificante (0 °C)	$0.11$ ${\displaystyle 0.11}$ $0.11$
Glicerina	$1.5$ ${\displaystyle 1.5}$ $1.5$

Per determinare di che tipo è il flusso in studio, si osserva il suo numero di Reynolds

$Re={{\rho Lv} \over \mu }$ $Re={{\rho Lv} \over \mu }$ $Re={{\rho Lv} \over \mu }$

Questi è una costante che dipende dalla massa volumica $\rho$ $\rho$ $\rho$ del fluido, dalla sua viscosità $\mu$ $\mu$ $\mu$ e dal diametro $L$ ${\displaystyle L}$ $L$ del tubo in cui scorre il fluido. Se il numero di Reynolds è relativamente basso allora ci si trova in presenza di un flusso laminare, mentre per $Re\simeq 2000$ $Re\simeq 2000$ $Re\simeq 2000$ il flusso diventa turbolento. Per concludere si vuole sottolineare che è possibile suddividere i fluidi in due tipologie a seconda della loro viscosità:

Fluidi Newtoniani: ovvero fluidi in cui la viscosità è funzione solamente della temperatura e della pressione del fluido e non del gradiente di velocità;
Fluidi Non Newtoniani: ovvero fluidi in cui la viscosità dipende anche dal gradiente di velocità.

La viscosità in funzione di temperatura e pressione

Temperatura e pressione sono due fattori fondamentali da valutare nel momento in cui si sceglie un lubrificante al posto di un altro. Si considerino inizialmente gli effetti della temperatura. Vi sono tre principali cause di variazione della temperatura che possono influenzare il comportamento del lubrificante:

Condizioni climatiche;
Fattori termici locali (come per i motori delle automobili o le pompe frigorifere);
La dissipazione di energia dovuta allo sfregamento tra superfici.

Per riuscire a classificare i vari lubrificanti a seconda del comportamento della loro viscosità in funzione della temperatura, nel 1929 fu introdotto l'indice di viscosità (VI) da Dean e Davis. Questi assegnarono al lubrificante migliore allora disponibile, ovvero l'olio della Pennsylvania, l'indice di viscosità 100, e al peggiore, ovvero l'olio americano della Costa del Golfo, il valore 0. Per determinare il valore dell'indice di olii intermedi si ricorre al seguente procedimento: si scelgono due olii di riferimento in modo che l'olio in esame abbia la loro stessa viscosità a 100 °C, e si utilizza la seguente equazione per determinarne l'indice di viscosità

$V.I.={{L-O_{Test}} \over {L-H}}\times 100$ $VI={{L-O_{Test}} \over {LH}}\times 100$ $V.I.={{L-O_{Test}} \over {L-H}}\times 100$

Tale procedimento presenta alcuni svantaggi:

Per miscele di olii i risultati non sono esatti;
Non si hanno informazioni nel caso in cui ci si trovi al di fuori del range delle temperature fissate;
Con l'avanzamento delle tecnologie si sono messi a punto olii con VI superiori a 100, che non possono essere descritti con il metodo visto sopra.

Nel caso di olii con VI superiori a 100 si può utilizzare una relazione diversa che permette di ottenere risultati esatti

$V.I.={{10^{N}-1} \over {0.00715}}+100$ $VI={{10^{N}-1} \over {0.00715}}+100$ $V.I.={{10^{N}-1} \over {0.00715}}+100$ $N={{Log(H)-Log(O_{Test})} \over {Log(v)}}$ $N={{Log(H)-Log(O_{Test})} \over {Log(v)}}$ $N={{Log(H)-Log(O_{Test})} \over {Log(v)}}$

dove, in questo caso, H è la viscosità a 100 °F dell'olio con VI = 100 e v è la viscosità cinematica dell'olio in studio a 210 °F.

Possiamo quindi affermare, in conclusione, che un innalzamento della temperatura comporta una diminuzione della viscosità dell'olio. È utile, inoltre, tenere presente che allo stesso modo un innalzamento della pressione implica un aumento della viscosità. Per valutare gli effetti della pressione sulla viscosità si ricorre alla seguente equazione

$\mu =\mu _{0}exp{(\alpha p)}$ $\mu =\mu _{0}exp{(\alpha p)}$ $\mu =\mu _{0}exp{(\alpha p)}$

dove $\mu$ $\mu$ $\mu$ è il coefficiente di viscosità alla pressione $p$ ${\displaystyle p}$ $p$ , $\mu _{0}$ $\mu _{0}$ $\mu _{0}$ è il coefficiente di viscosità a pressione atmosferica ed $\alpha$ $\alpha$ $\alpha$ è una costante che descrive la relazione tra viscosità e pressione.

Misure di Viscosità

Per determinare la viscosità di un fluido si utilizzano i viscosimetri che possono essere suddivisi in 3 categorie principali:

Viscosimetri capillari, in cui la viscosità del fluido viene misurata facendolo scorrere in un tubo capillare;
Viscosimetri a caduta di solido, in cui si misura la viscosità calcolando la velocità di un solido che si muove nel fluido;
Viscosimetri rotazionali , in cui si ottiene la viscosità valutando lo scorrimento del fluido posto tra due superfici in moto relativo.

Le prime due tipologie di viscosimetro vengono utilizzate principalmente per fluidi newtoniani, mentre la terza è molto versatile.

Usura

L' usura è la progressiva rimozione involontaria di materiale da una superficie in moto relativo con un'altra o con un fluido. Si possono distinguere due diverse tipologie di usura: un' usura moderata e un' usura severa . Il primo caso riguarda bassi carichi e superfici lisce, mentre il secondo riguarda carichi decisamente più elevati e superfici compatibili e rugose, in cui i processi di usura risultano molto più violenti. L'usura riveste un ruolo fondamentale negli studi tribologici, poiché provoca dei cambiamenti nella forma dei componenti utilizzati nella costruzione di macchinari (per esempio). Questi pezzi usurati vanno sostituiti e ciò comporta sia un problema di natura economica, a causa del costo della sostituzione, sia un problema di natura funzionale, in quanto se non si sostituiscono in tempo tali componenti, si potrebbero verificare danni più gravi al macchinario nel suo complesso. Questo fenomeno, però, non ha solo lati negativi, anzi, è spesso usato per ridurre la rugosità di alcuni materiali eliminandone le asperità. Erroneamente si tende ad immaginare l'usura in una correlazione diretta con l'attrito, in realtà questi due fenomeni non sono collegabili in maniera semplice. Possono esserci condizioni tali per cui ad un basso attrito si può avere un'usura significativa e viceversa. Affinché si verifichi questo fenomeno, sono necessari determinati "tempi di realizzazione", che possono mutare a seconda di alcune variabili, quali carico, velocità, lubrificazione e condizioni ambientali. Inoltre, esistono diversi meccanismi di usura, che possono presentarsi contemporaneamente o addirittura combinati tra loro:

Usura Adesiva;
Usura Abrasiva;
Usura per Fatica;
Usura Corrosiva;
Usura da sfregamento o Fretting;
Usura da Erosione;
Altri fenomeni d'usura minori (Usura per Impatto, Cavitazione, Usura-Fusione, Usura-Diffusione).

Usura Adesiva

Come noto, il contatto tra due superfici avviene per mezzo dell'interazione tra asperità. Se si applica uno sforzo di taglio nella zona di contatto, è possibile che si verifichi il distacco di una piccola parte del materiale più debole, a causa dell'adesione di questo con la superficie più dura ^[22] . Quanto descritto è proprio il meccanismo dell' usura adesiva rappresentato in figura. Questo tipo di usura è molto problematico, poiché comporta alte velocità di usura, allo stesso tempo, però, è possibile ridurre l'adesione aumentando la rugosità superficiale e la durezza delle superfici coinvolte, oppure inserendo strati di contaminanti come ossigeno, ossidi, acqua o olii. In conclusione si può descrivere il comportamento del volume d'usura adesiva per mezzo di tre leggi principali:

 Legge 1 . La massa coinvolta nell'usura è proporzionale alla distanza percorsa nello sfregamento tra le superfici.

Legge 2 . La massa coinvolta nell'usura è proporzionale al carico applicato.

Legge 3 . La massa coinvolta nell'usura è inversamente proporzionale alla durezza del materiale meno duro.

Usura Abrasiva

L' usura abrasiva consiste nello sforzo di taglio di superfici dure che agiscono su superfici più tenere e può essere causata o dalle asperità che come delle punte tagliano il materiale contro cui sfregano ( usura abrasiva a due corpi ), oppure da delle particelle di materiale duro che si interpongono tra due superfici in moto relativo ( usura abrasiva a tre corpi ) ^[23] . A livelli applicativi l'usura a due corpi è facilmente eliminabile per mezzo di un'adeguata finitura delle superfici, mentre l'usura a tre corpi può portare seri problemi e va quindi rimossa quanto più possibile per mezzo di adeguati filtri, prima ancora per mezzo di una ponderata progettazione dei macchinari.

Usura per Fatica

L' usura per fatica è un tipo di usura che viene causata da carichi alternativi, che provocano sforzi di contatto locali ripetuti nel tempo, i quali a loro volta portano al deterioramento dei materiali coinvolti. L'esempio più immediato di questo tipo di usura è quello di un pettine. Se si fa scorrere un dito sui denti del pettine più e più volte, si osserva che ad un certo punto uno o più denti del pettine si staccano. Questo fenomeno può portare allo sfaldarsi delle superfici per cause meccaniche o termiche. Il primo caso è quello descritto in precedenza in cui un carico ripetuto più volte provoca sforzi di contatto elevati. Il secondo caso, invece, è causato dall'espansione termica dei materiali coinvolti nel processo. Per ridurre questo tipo di usura, quindi, è bene cercare di diminuire sia gli sforzi di contatto, sia il ciclaggio termico, ovvero la frequenza con cui si intervallano temperature differenti. Per risultati ottimali è bene anche eliminare, quanto più possibile, le impurità tra le superfici, i difetti locali e le inclusioni di materiali estranei nei corpi coinvolti.

Usura Corrosiva

L' usura corrosiva si verifica in presenza di metalli che si ossidano (Tribossidativa) o che si corrodono. Quando le superfici metalliche pure vengono in contatto con l'ambiente circostante, sulle loro superfici si vengono a creare dei film di ossido a causa dei contaminanti presenti nell'ambiente stesso, come acqua, ossigeno o acidi. Questi film vengono continuamente rimossi dai meccanismi di usura abrasiva e adesiva, continuamente ricreati dalle interazioni metallo puro-contaminanti. Chiaramente questo tipo di usura può essere ridotto cercando di creare un ambiente 'ad hoc', privo di inquinanti e soggetto a sbalzi termici minimi. L'usura corrosiva può essere anche positiva in alcune applicazioni. Difatti, gli ossidi che si vengono a creare, contribuiscono a diminuire il coefficiente di attrito tra le superfici, oppure, essendo in molti casi più duri del metallo a cui appartengono, possono essere usati come ottimi abrasivi.

Usura da sfregamento o Fretting

L' usura da sfregamento si verifica nei sistemi soggetti a vibrazioni più o meno intense, le quali provocano dei movimenti relativi tra le superfici in contatto dell'ordine del nanometro. Questi microscopici movimenti relativi provocano sia usura adesiva, causata dallo spostamento stesso, sia usura abrasiva, causata dalle particelle prodotte nella fase adesiva, che restano intrappolate tra le superfici. Questo tipo di usura può essere accelerato dalla presenza di sostanze corrosive e dall'aumento della temperatura ^[24] .

Usura da Erosione

L' usura da erosione si verifica quando delle particelle libere, che possono essere sia solide che liquide, colpiscono una superficie, provocandone l'abrasione. I meccanismi coinvolti sono di varia natura e dipendono da alcuni parametri, come l'angolo d'impatto, la dimensione della particella, la velocità d'impatto e il materiale di cui le particelle sono costituite ^[25] .

Fattori che influenzano l'usura

Tra i fattori principali che influenzano l'usura troviamo

Durezza;
Solubilità Reciproca;
Struttura cristallina.

È stato verificato che più un materiale è duro più l'usura diminuisce. Allo stesso modo, meno due materiali sono reciprocamente solubili, più l'usura tende a diminuire. Infine, per quanto riguarda la struttura cristallina, è possibile affermare che alcune strutture sono più adatte a resistere all'usura di altre, come per esempio una struttura esagonale a distribuzione compatta, che può deformarsi solamente per slittamento lungo i piani di base.

Tasso d'usura

Per fornire una valutazione del danno causato dall'usura, si utilizza un coefficiente adimensionale chiamato tasso d'usura, dato dal rapporto tra la variazione di altezza del corpo $\Delta h$ $\Delta h$ $\Delta h$ e la lunghezza dello strisciamento relativo $\Delta l$ $\Delta l$ $\Delta l$ .

$T_{usura}={\delta h \over \Delta l}$ $T_{usura}={\delta h \over \Delta l}$ $T_{usura}={\delta h \over \Delta l}$

Tale coefficiente permette di suddividere, a seconda della sua entità, i danni subiti da vari materiali in diverse situazioni, passando da un grado di usura modesto, attraverso uno medio, ad un grado di usura severo.

Classificazione del livello di usura a seconda del tasso di usura
Classe	$T_{Usura}$ $T_{Usura}$ $T_{Usura}$	Livello d'usura
0	$10^{-13}-10^{-12}$ $10^{-13}-10^{-12}$ $10^{-13}-10^{-12}$	Modesto
1	$10^{-12}-10^{-11}$ $10^{-12}-10^{-11}$ $10^{-12}-10^{-11}$
2	$10^{-11}-10^{-10}$ $10^{-11}-10^{-10}$ $10^{-11}-10^{-10}$
3	$10^{-10}-10^{-9}$ $10^{-10}-10^{-9}$ $10^{-10}-10^{-9}$	Medio
4	$10^{-9}-10^{-8}$ $10^{-9}-10^{-8}$ $10^{-9}-10^{-8}$
5	$10^{-8}-10^{-7}$ $10^{-8}-10^{-7}$ $10^{-8}-10^{-7}$
6	$10^{-7}-10^{-6}$ $10^{-7}-10^{-6}$ $10^{-7}-10^{-6}$
7	$10^{-6}-10^{-5}$ $10^{-6}-10^{-5}$ $10^{-6}-10^{-5}$	Severo
8	$10^{-5}-10^{-4}$ $10^{-5}-10^{-4}$ $10^{-5}-10^{-4}$
9	$10^{-4}-10^{-3}$ $10^{-4}-10^{-3}$ $10^{-4}-10^{-3}$

Per esprimere, invece, il volume di usura V è possibile ricorrere all'equazione di Holm

$V=k{W \over H}l$ $V=k{W \over H}l$ $V=k{W \over H}l$ (per usura adesiva)

$V=k_{a}{W \over H}l$ $V=k_{a}{W \over H}l$ $V=k_{a}{W \over H}l$ (per usura abrasiva)

dove W/H rappresenta l'area reale di contatto, l la lunghezza della distanza percorsa e k e $k_{a}$ $k_{a}$ $k_{a}$ sono fattori dimensionali sperimentali.

Misura dell'usura

Nelle misure sperimentali di usura dei materiali è spesso necessario ricreare dei tassi di usura abbastanza piccoli e di accelerare i tempi. I fenomeni, che nella realtà si sviluppano dopo anni, in laboratorio devono verificarsi dopo qualche giorno. Una prima valutazione dei processi di usura è un' ispezione visiva del profilo superficiale del corpo in studio, comprensiva di un confronto prima e dopo il verificarsi del fenomeno di usura. In questa prima analisi si osservano le eventuali variazioni della durezza e della geometria superficiale del materiale.

Un altro metodo d'indagine è quello dei traccianti radioattivi , utilizzato per valutare l'usura a livelli macroscopici. Uno dei due materiali in contatto, coinvolti in un processo di usura, viene marcato con un tracciante radioattivo. Così facendo, le particelle di questo materiale, che verranno asportate, saranno facilmente visibili e valutabili. Infine, per accelerare i tempi dell'usura, una delle tecniche più note utilizzate è quella delle prove ad elevata pressione al contatto . In questo caso, per ottenere i risultati desiderati è sufficiente applicare il carico su una area di contatto molto ridotta ^[26] .

Applicazioni

Le applicazioni tribologiche, come è facile immaginare da quanto riportato in precedenza, comprendono praticamente qualsiasi settore ^[27] . Di seguito, si riportano alcuni campi di studio riguardanti la tribologia ^[28] :

Nanotribologia: si occupa di fenomeni tribologici che avvengono a scale nanometriche;
Biotribologia: si occupa dei fenomeni tribologici interni ai sistemi biologici, ovviamente principalmente si studiano i fenomeni interni al corpo umano;
Tribologia Industriale o Classica;
Tribologia Spaziale;
Geotribologia: si occupa dello studio di attrito e usura nei sistemi geologici come ghiacciai o faglie sismiche;
Tribologia Computazionale: si occupa di riprodurre sistemi tribologici per mezzo di simulazioni, capaci di combinare insieme più discipline fisiche;
Tribotronica: si occupa di integrare nei macchinari in cui si hanno fenomeni tribologici dei loop di controllo attivi per migliorare l'efficienza del macchinario stesso ^[29] ;
Ecotribologia.

Nanotribologia

Negli anni '80, grazie all'introduzione di nuovi apparati di misura, capaci di indagare a scale micro e nanoscopiche, e alla sempre maggiore potenza di calcolo dei computer, si è potuta studiare la fenomenologia dell'attrito su scala atomica. Tale studio si poneva principalmente due scopi: spiegare ad un livello fondamentale le leggi dell'attrito e definire le proprietà nanoscopiche dello stesso, per supportare le nanotecnologie allora in fase di sviluppo ^[30] . L'idea principale si sviluppò a partire dai lavori di Tomlinson, considerando la dissipazione energetica dell'attrito su scala microscopica come dovuta a onde elastiche derivanti dai moti di vibrazione del materiale. Tale ipotesi fu verificata sperimentalmente negli anni '90, grazie ai lavori di Jacqueline Krim, in particolare grazie ad un esperimento condotto nel 1991 su un film monoatomico di kripton. In generale, si arrivò a distinguere due principali meccanismi di dissipazione atomica dell'energia: il primo è la dissipazione dovuta all'eccitamento di fononi, vista in precedenza, mentre la seconda dipende dalle eccitazioni elettroniche. Mentre la prima aumenta con il numero di strati atomici, la seconda riguarda solamente gli strati più superficiali del materiale. Gli studi nanotribologici sono fondamentali per le applicazioni, oramai diffusissime, dei sistemi miniaturizzati, come le memorie magnetiche dei computer e le micro e nano macchine, che sono estremamente sensibili a fenomeni di attrito e usura ^[31] .

Biotribologia

Nel campo medico la tribologia svolge un ruolo fondamentale, basti pensare all'usura e allo sfregamento delle più quotidiane lenti a contatto, fino a giungere alle meno comuni protesi. La biotribologia si occupa: dell'usura di protesi e apparecchi biomedici, come possono essere un pacemaker o degli stent; dei fenomeni tribologici che si verificano nello sfregamento dei denti e nella loro consequenziale usura; della longevità delle viti e delle piastre utilizzate nella riparazione di fratture ossee e via dicendo ^[32] . Uno dei campi medici più importanti in cui si studiano a fondo i fenomeni tribologici è quello ortopedico, dove la protesi all'anca costituisce uno degli esempi principali. In questo caso, il fenomeno tribologico è dato dallo sfregamento delle teste femorali, che solitamente vengono sostituite con protesi in polietilene ^[33] . Negli anni settanta si è studiata una soluzione con dei materiali ceramici (alluminia e zirconia), che grazie ai valori d'usura estremamente bassi, e ai recenti progressi contro la rottura del materiale (che oggi si verifica in soli tre casi ogni mille), fornisce altissimi standard di qualità e resistenza ^[34] .

Tribologia Industriale

Cuscinetto

In campo industriale, uno degli esempi più diffusi e più studiati di applicazione tribologica sono i cuscinetti . Questi sono dispositivi meccanici utilizzati per ridurre l'attrito tra due superfici in moto relativo, rotatorio o lineare. Un primitivo cuscinetto era già stato studiato da Leonardo Da Vinci, durante i suoi studi sull'attrito, ma è solamente sul finire dell'800 grazie a Friedrich Fischer, fondatore della FAG, Henry Timken, fondatore della Timken Company, Sven Gustaf Wingquist, fondatore della SKF e dell'azienda Riv con la collaborazione della famiglia Agnelli, che i cuscinetti furono studiati e migliorati fino a raggiungere la grande distribuzione industriale di cui tutt'oggi sono uno dei grandi protagonisti ^[35] . I cuscinetti, infatti, vengono utilizzati principalmente nella costruzione degli impianti frenanti dei veicoli, ma sono coinvolti anche nella costruzione di edifici e ponti, di impianti eolici e di macchinari di vario genere ^[36] .

Tribologia Spaziale

Kepler

La tribologia spaziale comporta uno studio dei fenomeni tribologici in condizioni limite. Le problematiche che si presentano nello spazio sono di vario genere, dalle imponenti escursioni termiche alle basse pressioni, dalla presenza di meteoriti alle radiazioni solari, dall'alto vuoto all'assenza di manutenzione ^[37] . Tutte queste condizioni comportano la necessità di alcune rettifiche, soprattutto nei sistemi di lubrificazione, che proprio a causa degli sbalzi termici e delle basse pressioni, non possono essere di tipo liquido tradizionale, bensì sono preferibili i lubrificanti solidi ^[38] . Un esempio pratico di tale necessità si è verificata nel 2013 con il fallimento hardware del sistema di stabilizzazione del telescopio Kepler a causa di un attrito troppo elevato ^[39] .

Ecotribologia

Nel 1966, l'anno della pubblicazione del " Jost report ", con la parola Ecotribologia , si intendeva principalmente il guadagno economico, che poteva presentarsi in seguito ad uno sviluppo delle tecnologie tribologiche. Oggi, ci si trova di fronte ad un insieme insidioso di problemi ambientali, come il surriscaldamento globale e l'inquinamento, ed è per questo che si utilizza il termine Ecotribologia per rappresentare la possibilità, non solo di un risparmio economico, ma anche di un miglioramento delle condizioni ambientali, grazie alle nuove tecnologie e ai nuovi materiali utilizzati ^[40] . Si devono proprio ai miglioramenti in campo tribologico: l'abolizione dell'asbesto dai sistemi di freno dei veicoli, la sostituzione di alcuni refrigeranti con altri meno inquinanti e il controllo costante del piombo usato nei cuscinetti ^[41] . I campi di ricerca correlati alla tribologia sostenibile sono i più svariati, si passa dai tribomateriali per il controllo dell'attrito e dell'usura, ai tribosistemi per il settore del trasporto, dai nuovi tipi di lubrificanti a minor impatto ambientale, allo studio della manutenzione degli ingranaggi dei macchinari. Tutti questi campi di ricerca si pongono come obiettivo il risparmio economico ed energetico e la riduzione sempre maggiore dell'impatto ambientale ^[42] . Per fare questo, vanno presi in considerazioni alcuni aspetti importanti, come la scelta di materiali ecologici, il riutilizzo dei materiali, la progettazione di design ottimizzati e l'ottimizzazione dei processi industriali ^[43] .

Un esempio importante degli sviluppi ecotribologici è il lavoro di Shi e Huang, pubblicato nel 2017, su materiali con proprietà "autorigenerative" come l' Idrossipropil-metilcellulosa (HPMC). Questo materiale presenta una struttura chimica unica capace di ridurre il coefficiente di attrito e l'usura, può essere impiegato come lubrificante, e presenta una buona capacità di dissolversi in determinati solventi ^[44] .

Strumenti per misure tribologiche

Si riportano in questa sezione alcuni macchinari tra i più utilizzati per svolgere misure in campo tribologico.

Friction Tester

Strumenti che si basano sul calcolo del coefficiente di attrito come rapporto tra una forza e una massa, possono essere costruiti in modo da offrire la possibilità di inclinare il piano su cui si effettuano le misure e sono dotati di software di controllo e analisi dati ^[45] .

Reometri

I reometri sono strumenti utilizzati per valutare viscosità e proprietà di deformabilità della struttura del materiale. Esistono vari tipi di reometri, come i reometri rotazionali a stress controllato ei reometri capillari ^[46] .

Strumenti per scale nanometriche

Questi strumenti si sono sviluppati nei primi anni ottanta e sono l'apparato a forza superficiale (SFA), il microscopio a forza atomica (AFM), il microscopio ad effetto tunnel (STM), il microscopio a forza d'attrito (FFM), la microbilancia a cristallo di quarzo (QCM) ^[47] .

Curiosità

Triboluminescenza

La Triboluminescenza è un fenomeno poco noto, che consiste nella produzione di luce da parte di materiali sottoposti a sforzi meccanici. Questa manifestazione luminosa si verifica molto più spesso di quanto non ci si aspetti, infatti, se in una stanza completamente buia si pesta dello zucchero, o si srotola dello scotch è possibile osservare delle flebili emissioni di luce blu ^[48] . La triboluminescenza è poco nota proprio perché, salvo condizioni di buio totale, non è facile osservare i brevi e deboli lampi di luce prodotti. Tale avvenimento è più frequente nei cristalli che presentano una struttura che manca di centro di simmetria, come il quarzo, e per ogni singola sostanza esiste una dimensione minima del cristallo al di sotto della quale non si può verificare triboluminescenza. Una recente pubblicazione su Nature ha affermato che fenomeni, come lo srotolamento dello scotch, comportano anche la produzione di raggi X in condizioni di vuoto ^[49] .

Consumi, costi ed emissioni

In un recente studio due scienziati finlandesi, Kennet Holmberg e Ali Erdemir , hanno osservato ed analizzato l'influenza che hanno i processi tribologici sul consumo dell'energia, sui costi e sulle emissioni, giungendo ad alcune importanti conclusioni ^[50] .

Il 23% del consumo mondiale di energia è dovuto a processi tribologici: il 20% è utilizzato per superare l'attrito, mentre il restante 3% è utilizzato per sostituire le parti affette da usura;
Con le nuove tecnologie, superfici e tecniche di lubrificazione, è possibile ridurre, nell'arco di 15 anni, la perdita di energia dovuta ad attrito del 40%, e nel giro di 8 anni, del 15%. Questo significa un risparmio annuo del 1.4% del PIL a livello mondiale, e di una riduzione dell'8.7% del consumo totale di energia nel lungo termine;
Il maggior risparmio di energia, a breve termine, si può avere nei settori del trasporto e della generazione di energia, con un risparmio rispettivo del 25% e del 20%. Nei settori manifatturiero e residenziale, invece, si potrebbe avere un risparmio di circa il 10%;
Continuare ad investire in innovazioni tecnologiche in campo tribologico, inoltre, può contribuire significativamente alla riduzione delle emissioni globali di $CO_{2}$ $CO_{2}$ $CO_{2}$ , e può comportare anche un risparmio mondiale di migliaia di milioni di euro nel lungo termine.

Congresso Mondiale di Tribologia

Ogni quattro anni, in varie località del mondo, si tiene il Congresso Mondiale di Tribologia , che raccoglie studiosi, ricercatori e aziende provenienti da ogni dove. Lo scopo è quello di condividere le ultime tecnologie sviluppate in campo tribologico e favorire il fiorire di nuove ricerche e di collaborazioni sempre più proficue. Il primo congresso mondiale si è tenuto a Londra (Inghilterra) nel 1997, il secondo a Vienna (Austria) nel 2001, nel 2005 a Washington DC (USA), nel 2009 a Kyoto (Giappone), nel 2013 a Torino e nel 2017 a Beijing (Cina). Il prossimo, che si terrà nel 2021, sarà ospitato dai francesi e si svolgerà nella città di Lione ^[51] .

Biomimetica

Nel Congresso Mondiale di Tribologia, tenutosi a Torino nel settembre del 2013, si è introdotto un altro tema fondamentale per lo sviluppo delle tecnologie meccaniche, la biomimetica ^[52] . Questo ramo delle scienze meccaniche prende la natura come modello e si ripropone di progettare sistemi meccanici sulla falsa riga di quelli naturali, eliminando il concetto di rifiuto. Alcuni esempi di biomimetica sono il velcro, delle barriere acustiche ispirate alle tele di ragno e delle branchie stampate in 3D per respirare sott'acqua ^[53] ^[54] .

Pubblicazioni

Grafico rappresentativo della quantità delle pubblicazioni fatte nei vari settori di ricerca tribologica.

Si riporta in seguito un grafico, pubblicato nel 2015 nel giornale “Friction and Wear” dove si analizza la quantità di pubblicazioni fatte nei vari settori di ricerca tribologica dal 1980 al 2014. I numeri presenti nell'istogramma rappresentano i vari settori di ricerca come segue: 1) Proprietà strutturali, meccaniche e tribologiche di materiali e rivestimenti; 2) Meccanismi, tipi e peculiarità di usura e tribocouplings; 3) Modellizzazione dei meccanismi di usura e interazione di attrito; 4) Resistenza all'usura e durabilità dei materiali; 5) Analisi quantitative di processi di attrito e usura; 6) Strumenti ed equipaggiamento usati in tribologia; 7) Proprietà tribologiche e reologiche dei lubrificanti; 8) Parametri di superficie e proprietà riguardanti le proprietà tribologiche dei materiali; 9) Proprietà tribologiche di polimeri e materiali compositi; 10) Tribologia in generale ^[55] .

Note

^ Halling J., Introduzione alla tribologia .
^ Hutchings I., Leonardo da Vinci's studies of friction .
^ Gruppo di Ricerca di Didattica della Fisica dell'università di Pavia, Breve storia delle ricerche e delle teorie sull'attrito .
^ Amontons G., De la résistance causée dans les machines .
^ The Philosophical Transactions of the Royal Society of London, form their commencement in 1665, to the year 1800 .
^ Coulomb CA (1785) - Théories des Machines Simples .
^ Tomlinson GA (1929) - A Molecular Theory of Friction, Philosophical Magazine, 7, p.905-939 .
^ AG Greenhill, The life and work of Hirn , in Nature .
^ Bhushan B. (2002) - Introduction to tribology, John Wiley & Sons .
^ Burwell JT, Survey of possible wear mechanisms , in Wear .
^ Quinn TFJ (1991) - Physical analysis for tribology, Cambridge University Press .
^ Lim and Ashby, Mechanism maps , in Acta Metallurgica, Wear .
^ Bowden FP and Tabor D. (1938) - The area of contact between stationary and between moving surfaces .
^ Bowden FP and Tabor D. (1950-1964) - The Friction and Lubrification of Solids .
^ Kalpakjian S. e Schmid S. (2014) - Tecnologia Meccanica .
^ Funaioli E., Maggiore A., Meneghetti U. (2005) - Lezioni di Meccanica applicata alle macchine - Prima parte: Fondamenti di Meccanica delle macchine, Patron, Bologna .
^ Feynman RP, Leighton RB, Sands M. (1965) - The Feynman Lecture on Physics .
^ Resnick, Halliday, Krane (2002) - Physics - 5th edition Volume 1 .
^ Szeri AZ (2005) - Fluid Film Lubrification: Theory and Design, Cambridge University Press .
^ Ghigliazza, Galletti (1968) - Meccanica Applicata alle Macchine, Utet .
^ Rivola A.- Lezioni di Meccanica Applicata alle Macchine, Lubrificazione, Università di Bologna .
^ Stachowiak GW, Batchelor AW - Engineering Tribology, Elsevier applied science publishers .
^ Licciulli A. - Tribologia e applicazioni tribologiche, Universit`a degli studi di Lecce .
^ Claudio Teodoro dos Santos, C ́assio Barbosa, Maurıcio de Jesus Monteiro, Ibrahim de Cerqueira Abud, Ieda Maria Vieira Caminha, Carlos Rodrigo de Mello Roesler, Fretting corrosion tests on orthopedic plates and screws made of ASTM F138 stainless steel .
^ Lutterotti L. (2005) - Superfici e Tribologia .
^ Norma UNI 10610:1997 - Prova di attrito e usura. Attrito di strisciamento tra corpi solidi. Metodo sfera-disco .
^ Mazza L., Colombo F., Conte M., Tribologia, tra scienza e industria , in Fluidotecnica , n. 376.
^ Concili F., Tribologia, una scienza in movimento , in Organi di Trasmissione .
^ Zhang C. and Wang LZ, Tribotronics: A new field by cou- pling triboelectricity and semiconductor , in Nanotoday , vol. 11, n. 4.
^ Treccani , su treccani.it . URL consultato il 25 giugno 2019 (archiviato dall' url originale il 7 aprile 2019) .
^ Krim J., Friction at the Atomic Scale , in Scientific American .
^ Biotribologia , su ior.it . URL consultato il 7 ottobre 2018 (archiviato dall' url originale il 23 novembre 2018) .
^ Protesi all'anca ^{[ collegamento interrotto ]} , su dottgiulini.it .
^ Ravaglioli A. and Krajewski A. - “Bioceramics” - Springer .
^ Cuscinetti , su ingegneria.unisalento.it .
^ Cuscinetti , su mtb-mag.com .
^ Jones WR and Jansen MJ (2000) - “Space Tribology” - NASA .
^ Briscoe HM, Why Space Tribology? , in Tribology International .
^ kepler , su fortune.com .
^ Stachowiak GW, How tribology has been helping us to advance and to survive , in Friction , vol. 5, n. 3.
^ Bartz WJ, Ecotribology: Environmentally acceptable tribological practices , in Tribology International , vol. 39.
^ Sasaki S., Environmentally friendly tribology (Eco-Tribology) , in Journal of Mechanical Science and Technology .
^ Green Tribology - SpringerLink. doi:10.1007/978-3-642-23681-5 .
^ Shi S. and Huang T, Self-Healing Materials for Ecotribology , in Materials .
^ Friction Tester , su elis2.it .
^ Reometri , su alfatest.it .
^ Microscopio ad effetto tunnel , su ralph-dte.eu .
^ Triboluminescenza ^{[ collegamento interrotto ]} , su fisicisenzapalestra.com .
^ Triboluminescenza: luce dalle caramelle , su chimicamo.org . URL consultato il 26 settembre 2020 .
^ Holmberg K. and Erdemir A., Influence of tribology on glo- bal energy consumption, costs and emissions , in Friction , vol. 5, n. 3.
^ Congresso Mondiale , su itctribology.net . URL consultato il 5 agosto 2019 (archiviato dall' url originale il 7 ottobre 2018) .
^ ( EN ) Katharine Sanderson, Sticky tape generates X-rays , in Nature , 22 ottobre 2008.
^ Biomimetica , su greenme.it .
^ Biomimetica , su focus.it .
^ Sviridenok AI, Myshkin NK and Kovaleva IN, Latest Developments in Tribology , in Journal Friction and Wear .

Voci correlate

Altri progetti

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Collegamenti esterni

( EN ) Tribologia , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

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[1] Halling J., Introduzione alla tribologia .

[2] Hutchings I., Leonardo da Vinci's studies of friction .

[3] Gruppo di Ricerca di Didattica della Fisica dell'università di Pavia, Breve storia delle ricerche e delle teorie sull'attrito .

[4] Amontons G., De la résistance causée dans les machines .

[5] The Philosophical Transactions of the Royal Society of London, form their commencement in 1665, to the year 1800 .

[6] Coulomb CA (1785) - Théories des Machines Simples .

[7] Tomlinson GA (1929) - A Molecular Theory of Friction, Philosophical Magazine, 7, p.905-939 .

[8] AG Greenhill, The life and work of Hirn , in Nature .

[9] Bhushan B. (2002) - Introduction to tribology, John Wiley & Sons .

[10] Burwell JT, Survey of possible wear mechanisms , in Wear .

[11] Quinn TFJ (1991) - Physical analysis for tribology, Cambridge University Press .

[12] Lim and Ashby, Mechanism maps , in Acta Metallurgica, Wear .

[13] Bowden FP and Tabor D. (1938) - The area of contact between stationary and between moving surfaces .

[14] Bowden FP and Tabor D. (1950-1964) - The Friction and Lubrification of Solids .

[15] Kalpakjian S. e Schmid S. (2014) - Tecnologia Meccanica .

[16] Funaioli E., Maggiore A., Meneghetti U. (2005) - Lezioni di Meccanica applicata alle macchine - Prima parte: Fondamenti di Meccanica delle macchine, Patron, Bologna .

[17] Feynman RP, Leighton RB, Sands M. (1965) - The Feynman Lecture on Physics .

[18] Resnick, Halliday, Krane (2002) - Physics - 5th edition Volume 1 .

[19] Szeri AZ (2005) - Fluid Film Lubrification: Theory and Design, Cambridge University Press .

[20] Ghigliazza, Galletti (1968) - Meccanica Applicata alle Macchine, Utet .

[21] Rivola A.- Lezioni di Meccanica Applicata alle Macchine, Lubrificazione, Università di Bologna .

[22] Stachowiak GW, Batchelor AW - Engineering Tribology, Elsevier applied science publishers .

[23] Licciulli A. - Tribologia e applicazioni tribologiche, Universit`a degli studi di Lecce .

[24] Claudio Teodoro dos Santos, C ́assio Barbosa, Maurıcio de Jesus Monteiro, Ibrahim de Cerqueira Abud, Ieda Maria Vieira Caminha, Carlos Rodrigo de Mello Roesler, Fretting corrosion tests on orthopedic plates and screws made of ASTM F138 stainless steel .

[25] Lutterotti L. (2005) - Superfici e Tribologia .

[26] Norma UNI 10610:1997 - Prova di attrito e usura. Attrito di strisciamento tra corpi solidi. Metodo sfera-disco .

[27] Mazza L., Colombo F., Conte M., Tribologia, tra scienza e industria , in Fluidotecnica , n. 376.

[28] Concili F., Tribologia, una scienza in movimento , in Organi di Trasmissione .

[29] Zhang C. and Wang LZ, Tribotronics: A new field by cou- pling triboelectricity and semiconductor , in Nanotoday , vol. 11, n. 4.

[30] Treccani , su treccani.it . URL consultato il 25 giugno 2019 (archiviato dall' url originale il 7 aprile 2019) .

[31] Krim J., Friction at the Atomic Scale , in Scientific American .

[32] Biotribologia , su ior.it . URL consultato il 7 ottobre 2018 (archiviato dall' url originale il 23 novembre 2018) .

[33] Protesi all'anca ^{[ collegamento interrotto ]} , su dottgiulini.it .

[34] Ravaglioli A. and Krajewski A. - “Bioceramics” - Springer .

[35] Cuscinetti , su ingegneria.unisalento.it .

[36] Cuscinetti , su mtb-mag.com .

[37] Jones WR and Jansen MJ (2000) - “Space Tribology” - NASA .

[38] Briscoe HM, Why Space Tribology? , in Tribology International .

[39] r , su fortune.com .

[40] Stachowiak GW, How tribology has been helping us to advance and to survive , in Friction , vol. 5, n. 3.

[41] Bartz WJ, Ecotribology: Environmentally acceptable tribological practices , in Tribology International , vol. 39.

[42] Sasaki S., Environmentally friendly tribology (Eco-Tribology) , in Journal of Mechanical Science and Technology .

[43] Green Tribology - SpringerLink. doi:10.1007/978-3-642-23681-5 .

[44] Shi S. and Huang T, Self-Healing Materials for Ecotribology , in Materials .

[45] Friction Tester , su elis2.it .

[46] Reometri , su alfatest.it .

[47] Microscopio ad effetto tunnel , su ralph-dte.eu .

[48] Triboluminescenza ^{[ collegamento interrotto ]} , su fisicisenzapalestra.com .

[49] Triboluminescenza: luce dalle caramelle , su chimicamo.org . URL consultato il 26 settembre 2020 .

[50] Holmberg K. and Erdemir A., Influence of tribology on glo- bal energy consumption, costs and emissions , in Friction , vol. 5, n. 3.

[51] Congresso Mondiale , su itctribology.net . URL consultato il 5 agosto 2019 (archiviato dall' url originale il 7 ottobre 2018) .

[52] ( EN ) Katharine Sanderson, Sticky tape generates X-rays , in Nature , 22 ottobre 2008.

[53] Biomimetica , su greenme.it .

[54] Biomimetica , su focus.it .

[55] Sviridenok AI, Myshkin NK and Kovaleva IN, Latest Developments in Tribology , in Journal Friction and Wear .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

[35]

[36]

[37]

[38]

[39]

[40]

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Tribologie

Istorie

Preistorie și timpuri străvechi

Teoriile fricțiunii

Leonardo da Vinci

Primele studii privind frecarea în mijloacele de transport

Legile fricțiunii și teoria asperităților

Teoria coeziunii

A treia lege a fricțiunii

Fricțiunea de rulare

Teoria contactului între solide

Teoria frecării moleculare

Teoriile lubrifierii

Teoriile uzurii

Nașterea tribologiei

Summa Tribologica în lucrările lui Bowden și Tabor

Comisia Jost

Fizică [15] [16]

Fricțiunea

Legile uzurii

Fricțiune statică [18]

Fricțiune dinamică

Coeficientul de frecare static și dinamic

Attrito Volvente

Le Superfici

L'origine dell'attrito

La Teoria dell'Adesione

Misure d'attrito

Lubrificazione

Viscosità

La viscosità in funzione di temperatura e pressione

Misure di Viscosità

Usura

Usura Adesiva

Usura Abrasiva

Usura per Fatica

Usura Corrosiva

Usura da sfregamento o Fretting

Usura da Erosione

Fattori che influenzano l'usura

Tasso d'usura

Misura dell'usura

Applicazioni

Nanotribologia

Biotribologia

Tribologia Industriale

Tribologia Spaziale

Ecotribologia

Strumenti per misure tribologiche

Friction Tester

Reometri

Strumenti per scale nanometriche

Curiosità

Triboluminescenza

Consumi, costi ed emissioni

Congresso Mondiale di Tribologia

Biomimetica

Pubblicazioni

Note

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

Fizică ^[15] ^[16]

Fricțiune statică ^[18]