tribología

Ciencia e ingeniería de superficies que interactúan en movimiento relativo.

La tribología es la ciencia y la ingeniería que se ocupan de comprender los fenómenos de fricción , lubricación y desgaste de superficies que interactúan en movimiento relativo . Es altamente interdisciplinario y se basa en muchos campos académicos, incluidos la física , la química , la ciencia de los materiales , las matemáticas , la biología y la ingeniería . ^[1] Los objetos fundamentales de estudio en tribología son los tribosistemas , que son sistemas físicos de superficies en contacto. Los subcampos de la tribología incluyen la biotribología , la nanotribología y la tribología espacial . También está relacionado con otras áreas como el acoplamiento de la corrosión y la tribología en la tribocorrosión y la mecánica de contacto de cómo se deforman las superficies en contacto. Aproximadamente el 20% del gasto total de energía del mundo se debe al impacto de la fricción y el desgaste en los sectores de transporte, manufactura, generación de energía y residencial. ^[2]

Esta sección proporcionará una descripción general de la tribología, con enlaces a muchas de las áreas más especializadas.

Etimología

La palabra tribología deriva de la raíz griega τριβ- del verbo τρίβω , tribo , "froto" en griego clásico, y el sufijo -logía de -λογία , -logia "estudio de", "conocimiento de". Peter Jost acuñó la palabra en 1966, ^[1] en el informe homónimo que destacaba el coste de la fricción , el desgaste y la corrosión para la economía del Reino Unido. ^[2]

Historia

Experimentos tribológicos sugeridos por Leonardo da Vinci

Historia temprana

A pesar de la denominación relativamente reciente del campo de la tribología, los estudios cuantitativos de la fricción se remontan a 1493, cuando Leonardo da Vinci observó por primera vez las dos "leyes" fundamentales de la fricción . ^[3] Según Leonardo, la resistencia a la fricción era la misma para dos objetos diferentes del mismo peso pero que hacían contacto en diferentes anchos y largos. También observó que la fuerza necesaria para superar la fricción se duplica a medida que se duplica el peso. Sin embargo, los hallazgos de Leonardo permanecieron inéditos en sus cuadernos. ^[3]

Las dos "leyes" fundamentales de la fricción fueron publicadas por primera vez (en 1699) por Guillaume Amontons , con cuyo nombre ahora se suelen asociar. Afirman que: ^[3]

• La fuerza de fricción que actúa entre dos superficies deslizantes es proporcional a la carga que presiona las superficies entre sí.
• la fuerza de fricción es independiente del área aparente de contacto entre las dos superficies.

Aunque no son universalmente aplicables, estas sencillas afirmaciones son válidas para una gama sorprendentemente amplia de sistemas. ^[4] Estas leyes fueron desarrolladas aún más por Charles-Augustin de Coulomb (en 1785), quien notó que la fuerza de fricción estática puede depender del tiempo de contacto y la fricción deslizante (cinética) puede depender de la velocidad de deslizamiento, la fuerza normal y el área de contacto. ^{[5] [6]}

En 1798, Charles Hatchett y Henry Cavendish llevaron a cabo la primera prueba fiable sobre el desgaste por fricción . En un estudio encargado por el Consejo Privado del Reino Unido , utilizaron una máquina alternativa simple para evaluar la tasa de desgaste de las monedas de oro . Descubrieron que las monedas con arena entre ellas se desgastaban a un ritmo más rápido en comparación con las monedas autoacopladas. ^[7] En 1860, Theodor Reye ^[a] propuso la hipótesis de Reye  [it] . ^[9] En 1953, John Frederick Archard desarrolló la ecuación de Archard que describe el desgaste por deslizamiento y se basa en la teoría del contacto de aspereza . ^[10]

Otros pioneros de la investigación en tribología son el físico australiano Frank Philip Bowden ^[11] y el físico británico David Tabor , ^[12] ambos del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Juntos escribieron el libro de texto fundamental The Friction and Lubrication of Solids ^[13] (Parte I publicada originalmente en 1950 y Parte II en 1964). Michael J. Neale fue otro líder en el campo durante mediados y finales del siglo XX. Se especializó en la resolución de problemas de diseño de máquinas aplicando sus conocimientos de tribología. Neale era respetado como educador con un don para integrar el trabajo teórico con su propia experiencia práctica para producir guías de diseño fáciles de entender. El Manual de Tribología , ^[14] que editó por primera vez en 1973 y actualizó en 1995, todavía se utiliza en todo el mundo y forma la base de numerosos cursos de formación para diseñadores de ingeniería.

Duncan Dowson examinó la historia de la tribología en su libro de 1997 Historia de la tribología (segunda edición). ^[5] Esto cubre los desarrollos desde la prehistoria hasta las primeras civilizaciones ( Mesopotamia , el antiguo Egipto ) y destaca los desarrollos clave hasta finales del siglo XX.

El informe Jost

El término tribología se volvió ampliamente utilizado después de la publicación del Informe Jost en 1966. ^[1] El informe destacó el enorme costo de la fricción, el desgaste y la corrosión para la economía del Reino Unido (1,1-1,4% del PIB ). ^[1] Como resultado, el gobierno del Reino Unido estableció varios centros nacionales para abordar los problemas tribológicos. Desde entonces, el término se ha difundido en la comunidad internacional y muchos especialistas ahora se identifican como "tribólogos".

Significado

A pesar de una considerable investigación desde el Informe Jost, el impacto global de la fricción y el desgaste en el consumo de energía , el gasto económico y las emisiones de dióxido de carbono siguen siendo considerables. En 2017, Kenneth Holmberg y Ali Erdemir intentaron cuantificar su impacto en todo el mundo. ^[15] Consideraron los cuatro principales sectores consumidores de energía: transporte , manufactura , generación de energía y residencial . Se concluyó lo siguiente: ^[15]

• En total, ~23% del consumo energético mundial se origina en contactos tribológicos. De eso, el 20% es para superar la fricción y el 3% para remanufacturar piezas desgastadas y equipos de repuesto debido al desgaste y relacionados con el mismo.
• Aprovechando las nuevas tecnologías para la reducción de la fricción y la protección contra el desgaste, las pérdidas de energía por fricción y desgaste en vehículos, maquinaria y otros equipos en todo el mundo podrían reducirse en un 40% a largo plazo (15 años) y un 18% en el corto plazo. (8 años). A escala global, este ahorro ascendería al 1,4% del PIB anual y al 8,7% del consumo total de energía en el largo plazo.
• Los mayores ahorros de energía a corto plazo se prevén en el transporte (25%) y en la generación de energía (20%), mientras que los ahorros potenciales en los sectores manufacturero y residencial se estiman en ~10%. A más largo plazo, el ahorro sería del 55%, 40%, 25% y 20%, respectivamente.
• La implementación de tecnologías tribológicas avanzadas también puede reducir las emisiones globales de dióxido de carbono hasta en 1.460 millones de toneladas de dióxido de carbono equivalente (MtCO ₂ ) y generar un ahorro de costes de 450.000 millones de euros a corto plazo. A largo plazo, la reducción podría llegar a 3.140 MtCO ₂ y el ahorro de costes a 970.000 millones de euros.

La tribología clásica, que abarca aplicaciones como rodamientos de bolas, transmisiones por engranajes, embragues, frenos, etc., se desarrolló en el contexto de la ingeniería mecánica. Pero en las últimas décadas la tribología se ha expandido a campos de aplicación cualitativamente nuevos, en particular la micro y la nanotecnología, así como la biología y la medicina. ^[dieciséis]

Conceptos fundamentales

tribosistema

El concepto de tribosistemas se utiliza para proporcionar una evaluación detallada de las entradas, salidas y pérdidas relevantes de los sistemas tribológicos. El conocimiento de estos parámetros permite a los tribólogos diseñar procedimientos de prueba para sistemas tribológicos.

Tribopelícula

Las tribopelículas son películas delgadas que se forman sobre superficies sometidas a tensión tribológica. Desempeñan un papel importante en la reducción de la fricción y el desgaste en los sistemas tribológicos.

curva de stribeck

La curva de Stribeck muestra cómo la fricción en contactos lubricados con fluido es una función no lineal de la viscosidad del lubricante , la velocidad de arrastre y la carga de contacto.

Física

Fricción

La palabra fricción proviene del latín "frictionem", que significa frotar. Este término se utiliza para describir todos aquellos fenómenos disipativos, capaces de producir calor y de oponerse al movimiento relativo entre dos superficies. ^[17] Hay dos tipos principales de fricción:

Fricción estática

Que ocurre entre superficies en estado fijo, o relativamente estacionario.

Fricción dinámica

Que ocurre entre superficies en movimiento relativo.

El estudio de los fenómenos de fricción es un estudio predominantemente empírico y no permite llegar a resultados precisos, sino sólo a conclusiones aproximadas útiles. Esta imposibilidad de obtener un resultado definitivo se debe a la extrema complejidad del fenómeno. Si se estudia más detenidamente presenta nuevos elementos que, a su vez, complejizan aún más la descripción global. ^[18]

Leyes de fricción

Todas las teorías y estudios sobre la fricción se pueden simplificar en tres leyes principales, que son válidas en la mayoría de los casos:

Primera ley de Amontons

La fuerza de fricción es directamente proporcional a la carga normal.

Segunda ley de Amontons

La fricción es independiente del área aparente de contacto.

Tercera ley de Coulomb

La fricción dinámica es independiente de la velocidad de deslizamiento relativa.

Posteriormente , Coulomb encontró desviaciones de las leyes de Amonton en algunos casos. ^[6] En sistemas con importantes campos de tensión no uniformes, las leyes de Amonton no se satisfacen macroscópicamente porque el deslizamiento local ocurre antes de que todo el sistema se deslice. ^[19]

Fricción estática

Considere un bloque de cierta masa m, colocado en una posición tranquila sobre un plano horizontal. Si se quiere mover el bloque se debe aplicar una fuerza externa, de esta manera observamos una cierta resistencia al movimiento dada por una fuerza igual y opuesta a la fuerza aplicada, que es precisamente la fuerza de fricción estática . ^[20] ${\displaystyle {\vec {F}}_{out}}$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$

Aumentando continuamente la fuerza aplicada, obtenemos un valor tal que el bloque comienza a moverse instantáneamente. En este punto, teniendo también en cuenta las dos primeras leyes de fricción expuestas anteriormente, es posible definir la fuerza de fricción estática como una fuerza igual en módulo a la fuerza mínima necesaria para provocar el movimiento del bloque, y el coeficiente de fricción estática. como la relación de la fuerza de fricción estática . y la fuerza normal en el bloque , obteniendo ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$ ${\displaystyle {\vec {N}}}$

$${\displaystyle {\left|{\vec {F}}_{s.f.}\right|}\leq \mu {\left|{\vec {N}}\right|}}$$

Fricción dinámica

Una vez que el bloque se ha puesto en movimiento, el bloque experimenta una fuerza de fricción con una intensidad menor que la fuerza de fricción estática . La fuerza de fricción durante el movimiento relativo se conoce como fuerza de fricción dinámica . En este caso es necesario tener en cuenta no sólo las dos primeras leyes de Amontons, sino también la ley de Coulomb, para poder afirmar que la relación entre fuerza de fricción dinámica , coeficiente de fricción dinámica k y fuerza normal N es el siguiente: ${\displaystyle {\vec {F}}_{s.f.}}$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{d.f.}}$

$${\displaystyle \left|{\vec {F}}_{d.f.}\right|=k{\left|{\vec {N}}\right|}}$$

Coeficiente de fricción estática y dinámica.

Coeficiente dinámico y estático.

Llegados a este punto es posible resumir las principales propiedades de los coeficientes de fricción estático y dinámico . ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle k}$

Estos coeficientes son cantidades adimensionales, dadas por la relación entre la intensidad de la fuerza de fricción y la intensidad de la carga aplicada , dependiendo del tipo de superficies que intervienen en un contacto mutuo, y en cualquier caso, siempre es válida la condición tal eso: . ${\displaystyle {\vec {F}}_{f}}$ ${\displaystyle {\vec {W}}}$ ${\displaystyle \mu >k}$

Habitualmente, el valor de ambos coeficientes no supera la unidad y puede considerarse constante sólo dentro de ciertos rangos de fuerzas y velocidades, fuera de los cuales existen condiciones extremas que modifican estos coeficientes y variables.

En sistemas con campos de tensión no uniformes significativos, el coeficiente de fricción estática macroscópica depende de la presión externa, el tamaño o la forma del sistema porque el deslizamiento local ocurre antes de que el sistema se deslice. ^[19]

La siguiente tabla muestra los valores de los coeficientes de fricción estática y dinámica para materiales comunes:

Fricción rodante

En el caso de los cuerpos capaces de rodar, existe un tipo particular de fricción, en el que no se produce el fenómeno de deslizamiento, propio de la fricción dinámica, pero también existe una fuerza que se opone al movimiento, lo que excluye también el caso de la fricción estática. fricción. Este tipo de fricción se llama fricción por rodadura. Ahora queremos observar en detalle qué le sucede a una rueda que rueda sobre un plano horizontal. Inicialmente la rueda está inmóvil y las fuerzas que actúan sobre ella son la fuerza del peso y la fuerza normal dada por la respuesta al peso del piso. ${\displaystyle m{\vec {g}}}$ ${\displaystyle {\vec {N}}}$

En este punto la rueda se pone en movimiento, provocando un desplazamiento en el punto de aplicación de la fuerza normal que ahora se aplica delante del centro de la rueda, a una distancia b , que es igual al valor de la fricción de rodadura. coeficiente. La oposición al movimiento se produce por la separación de la fuerza normal y la fuerza del peso en el momento exacto en que comienza el rodamiento, por lo que el valor del par dado por la fuerza de fricción del rodamiento es

$${\displaystyle {{\vec {M}}_{r.f.}}={\vec {b}}\times m{\vec {g}}}$$

fricción de rodadura

Lo que sucede en detalle a nivel microscópico entre la rueda y la superficie de apoyo se describe en la Figura, donde se puede observar cuál es el comportamiento de las fuerzas de reacción del plano deformado que actúan sobre una rueda inmóvil.

El giro continuo de la rueda provoca deformaciones imperceptibles del avión y, una vez pasada a un punto posterior, el avión vuelve a su estado inicial. En la fase de compresión el avión se opone al movimiento de la rueda, mientras que en la fase de descompresión contribuye positivamente al movimiento.

La fuerza de fricción de rodadura depende, por tanto, de las pequeñas deformaciones que sufre la superficie de apoyo y la propia rueda, y puede expresarse como , donde es posible expresar b en relación al coeficiente de fricción por deslizamiento como , siendo r el radio de la rueda. ${\displaystyle |{\vec {F}}_{r}|=b|{\vec {N}}|}$ ${\displaystyle \mu }$ ${\textstyle b={\mu v \over r}}$

las superficies

Profundizando aún más, es posible estudiar no sólo la superficie más externa del metal, sino también los estados inmediatamente más internos, vinculados a la historia del metal, su composición y los procesos de fabricación sufridos por este último.

Es posible dividir el metal en cuatro capas diferentes:

1. Estructura cristalina: estructura básica del metal, forma interior voluminosa;
2. Capa mecanizada – capa que también puede tener inclusiones de material extraño y que deriva de los procesos de procesamiento a los que ha sido sometido el metal;
3. Capa endurecida – tiene una estructura cristalina de mayor dureza que las capas internas, gracias al rápido enfriamiento al que son sometidas en los procesos de trabajo;
4. Capa exterior o capa de óxido: capa que se crea debido a la interacción química con el entorno del metal y a la deposición de impurezas.

La capa de óxidos e impurezas (tercer cuerpo) tiene una importancia tribológica fundamental, de hecho suele contribuir a reducir la fricción. Otro dato de fundamental importancia respecto a los óxidos es que si se pudiera limpiar y alisar la superficie para obtener una "superficie metálica" pura, lo que observaríamos es la unión de las dos superficies en contacto. De hecho, en ausencia de finas capas de contaminantes, los átomos del metal en cuestión no son capaces de distinguir un cuerpo de otro, pasando así a formar un solo cuerpo si se ponen en contacto.

El origen de la fricción

El contacto entre superficies está formado por una gran cantidad de regiones microscópicas, en la literatura denominadas asperezas o uniones de contacto, donde se produce el contacto átomo a átomo. El fenómeno de fricción, y por tanto de disipación de energía, se debe precisamente a las deformaciones que sufren dichas regiones debido a la carga y al movimiento relativo. Se pueden observar deformaciones plásticas, elásticas o de rotura:

• Deformaciones plásticas – deformaciones permanentes de la forma de las protuberancias;
• Deformaciones elásticas: deformaciones en las que la energía gastada en la fase de compresión se recupera casi por completo en la fase de descompresión (histéresis elástica);
• Deformaciones de rotura: deformaciones que provocan la rotura de protuberancias y la creación de nuevas áreas de contacto.

La energía que se disipa durante el fenómeno se transforma en calor, aumentando así la temperatura de las superficies en contacto. El aumento de temperatura también depende de la velocidad relativa y de la rugosidad del material, pudiendo ser tan elevado que incluso provoque la fusión de los materiales involucrados.

En los fenómenos de fricción, la temperatura es fundamental en muchos campos de aplicación. Por ejemplo, un aumento de temperatura puede provocar una fuerte reducción del coeficiente de fricción y, en consecuencia, de la eficacia de los frenos.

La teoría de la cohesión.

La teoría de la adhesión establece que en el caso de asperezas esféricas en contacto entre sí, sometidas a una carga, se observa una deformación, que al aumentar la carga pasa de una deformación elástica a una plástica. Este fenómeno implica una ampliación del área real de contacto , que por ello se puede expresar como: ${\displaystyle {\vec {W}}}$ ${\displaystyle A_{r}}$

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

donde D es la dureza del material definible como la carga aplicada dividida por el área de la superficie de contacto.

Si en este punto las dos superficies se deslizan entre ellas, se observa una resistencia al esfuerzo cortante t , dada por la presencia de uniones adhesivas, que se crearon precisamente a causa de las deformaciones plásticas, por lo que la fuerza de fricción estará dada por

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

Llegados a este punto, dado que el coeficiente de fricción es la relación entre la intensidad de la fuerza de fricción y la de la carga aplicada, es posible afirmar que

$${\displaystyle \mu ={t \over D}}$$

relacionándose así con las dos propiedades del material: resistencia al corte t y dureza. Para obtener coeficientes de fricción de valores bajos es posible recurrir a materiales que requieran menos esfuerzos de corte, pero que también sean muy duros. En el caso de los lubricantes, de hecho, utilizamos un sustrato de material con baja tensión de corte t , colocado sobre un material muy duro. ${\displaystyle \mu }$

La fuerza que actúa entre dos sólidos en contacto no sólo tendrá componentes normales, como se ha implicado hasta ahora, sino que también tendrá componentes tangenciales. Esto complica aún más la descripción de las interacciones entre rugosidades, porque debido a este componente tangencial, la deformación plástica conlleva una carga menor que cuando se ignora este componente. Una descripción más realista del área de cada unión que se crea viene dada por

$${\displaystyle {A_{i}}^{2}=\left({\frac {{\vec {W}}_{i}}{D}}\right)^{2}+\alpha \left({\frac {{\vec {F}}_{i}}{D}}\right)^{2}}$$

con fuerza constante y "tangente" aplicada a la articulación. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle {\vec {F}}_{i}}$

Para obtener consideraciones aún más realistas, conviene considerar también el fenómeno del tercer cuerpo, es decir, la presencia de materiales extraños, como humedad, óxidos o lubricantes, entre los dos sólidos en contacto. A continuación se introduce un coeficiente c que permite correlacionar la resistencia al corte t del "material" puro y la del tercer cuerpo. ${\displaystyle t_{t.b.}}$

$${\displaystyle t=c\cdot t_{t.b.}}$$

c

Estudiando el comportamiento en los límites será que para c = 0, t = 0 y para c = 1 se vuelve a la condición en la que las superficies están directamente en contacto y no hay presencia de un tercer cuerpo. Teniendo en cuenta lo que se acaba de decir, es posible corregir la fórmula del coeficiente de fricción de la siguiente manera:

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

En conclusión, se considera el caso de cuerpos elásticos en interacción entre sí.

De manera similar a lo que acabamos de ver, es posible definir una ecuación del tipo

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

donde, en este caso, K depende de las propiedades elásticas de los materiales. También para los cuerpos elásticos la fuerza tangencial depende del coeficiente c visto arriba, y será

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

y por lo tanto se puede obtener una descripción bastante exhaustiva del coeficiente de fricción.

$${\displaystyle \mu =cKs}$$

Medidas de fricción

El método más simple e inmediato para evaluar el coeficiente de fricción de dos superficies es el uso de un plano inclinado sobre el cual se hace deslizar un bloque de material. Como se puede observar en la figura, la fuerza normal del avión viene dada por , mientras que la fuerza de fricción es igual a . Esto nos permite afirmar que el coeficiente de fricción se puede calcular muy fácilmente, mediante la tangente del ángulo en el que el bloque comienza a deslizarse. De hecho tenemos ${\displaystyle mg\cos \theta }$ ${\displaystyle mg\sin \theta }$

$${\displaystyle \mu ={F_{a} \over N}={mg\sin \theta \over mg\cos \theta }={\sin \theta \over \cos \theta }=\tan \theta }$$

Luego del plano inclinado pasamos a sistemas más sofisticados, que nos permiten considerar todas las condiciones ambientales posibles en las que se realiza la medición, como la máquina de rodillos transversales o la máquina de pernos y discos. Hoy en día existen máquinas digitales como el "Friction Tester" que permite, mediante un soporte de software, insertar todas las variables deseadas. Otro proceso muy utilizado es la prueba de compresión de anillos. Un anillo plano del material a estudiar se deforma plásticamente mediante una prensa, si la deformación es una expansión tanto en el círculo interior como en el exterior, entonces habrá coeficientes de fricción bajos o nulos. De lo contrario, para una deformación que se expande sólo en el círculo interior, habrá coeficientes de fricción crecientes.

Lubricación

Para reducir la fricción entre superficies y mantener el desgaste bajo control se utilizan materiales llamados lubricantes . ^[21] A diferencia de lo que podría pensar, no se trata solo de aceites o grasas, sino de cualquier material fluido que se caracterice por su viscosidad, como el aire y el agua. Por supuesto, algunos lubricantes son más adecuados que otros, dependiendo del tipo de uso al que están destinados: el aire y el agua, por ejemplo, están fácilmente disponibles, pero los primeros sólo pueden usarse en condiciones de carga y velocidad limitadas, mientras que los segundos puede contribuir al desgaste de los materiales.

Lo que pretendemos conseguir con estos materiales es una perfecta lubricación fluida, o una lubricación tal que se pueda evitar el contacto directo entre las superficies en cuestión, interponiendo una película lubricante entre ellas. Para ello existen dos posibilidades, dependiendo del tipo de aplicación, de los costes a afrontar y del nivel de "perfección" de la lubricación que se desea alcanzar, se puede elegir entre:

• Lubricación fluidostática (o hidrostática en el caso de los aceites minerales) – que consiste en la inserción de material lubricante a presión entre las superficies en contacto;
• Lubricación fluida (o hidrodinámica): consiste en aprovechar el movimiento relativo entre las superficies para hacer penetrar el material lubricante.

Viscosidad

La viscosidad es el equivalente a la fricción en los fluidos; describe, de hecho, la capacidad de los fluidos para resistir las fuerzas que provocan un cambio de forma.

Gracias a los estudios de Newton se ha conseguido una comprensión más profunda del fenómeno. De hecho, introdujo el concepto de flujo laminar : "un flujo en el que la velocidad cambia de una capa a otra". Idealmente es posible dividir un fluido entre dos superficies ( , ) del área A, en varias capas. ${\displaystyle S_{1}}$ ${\displaystyle S_{2}}$

La capa en contacto con la superficie , que se mueve con una velocidad v debido a una fuerza F aplicada , tendrá la misma velocidad que v de la losa, mientras que cada capa inmediatamente siguiente variará esta velocidad en una cantidad dv , hasta la capa en contacto con la superficie inmóvil , que tendrá velocidad cero. ${\displaystyle S_{2}}$ ${\displaystyle S_{1}}$

De lo dicho se puede afirmar que la fuerza F , necesaria para provocar un movimiento de rodadura en un fluido contenido entre dos placas, es proporcional al área de las dos superficies y al gradiente de velocidad:

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

En este punto podemos introducir una constante proporcional , que corresponde al coeficiente de viscosidad dinámica del fluido, para obtener la siguiente ecuación, conocida como ley de Newton. ${\displaystyle \mu }$

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

La velocidad varía en la misma cantidad dv de capa en capa y luego se da la condición de que dv / dy = v / L , donde L es la distancia entre las superficies y , y entonces podemos simplificar la ecuación escribiendo ${\displaystyle S_{1}}$ ${\displaystyle S_{2}}$

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

La viscosidad es alta en los fluidos que se oponen fuertemente al movimiento, mientras que es contenida en los fluidos que fluyen con facilidad. ${\displaystyle \mu }$

Para determinar qué tipo de flujo hay en estudio, observamos su número de Reynolds.

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

Esta es una constante que depende de la masa fluida del fluido, de su viscosidad y del diámetro L del tubo por el que fluye el fluido. Si el número de Reynolds es relativamente bajo entonces hay un flujo laminar, mientras que el flujo se vuelve turbulento. ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle Re\simeq 2000}$

Para concluir queremos subrayar que es posible dividir los fluidos en dos tipos según su viscosidad:

1. Fluidos newtonianos , o fluidos en los que la viscosidad es función de la temperatura y la presión del fluido únicamente y no del gradiente de velocidad;
2. Fluidos no newtonianos , o fluidos en los que la viscosidad también depende del gradiente de velocidad.

Viscosidad en función de la temperatura y la presión.

La temperatura y la presión son dos factores fundamentales a evaluar a la hora de elegir un lubricante en lugar de otro. Considere inicialmente los efectos de la temperatura.

Existen tres causas principales de variación de temperatura que pueden afectar el comportamiento del lubricante:

• Las condiciones climáticas;
• Factores térmicos locales (como en motores de automóviles o bombas de refrigeración);
• Disipación de energía por roce entre superficies.

Para clasificar los distintos lubricantes según su comportamiento de viscosidad en función de la temperatura, Dean y Davis introdujeron en 1929 el índice de viscosidad (VI). Estos asignaron al mejor lubricante entonces disponible, es decir, al aceite de Pensilvania, el índice de viscosidad 100, y en el peor de los casos, al aceite americano de la Costa del Golfo, el valor 0. Para determinar el valor del índice de aceite intermedio, se sigue el siguiente procedimiento. utilizado: se eligen dos aceites de referencia para que el aceite en cuestión tenga la misma viscosidad a 100 °C, y se utiliza la siguiente ecuación para determinar el índice de viscosidad

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

Este proceso tiene algunas desventajas:

• Para mezclas de aceites los resultados no son exactos;
• No hay información si estás fuera del rango de temperatura fijo;
• Con el avance de las tecnologías, se han desarrollado aceites con un VI superior a 100, que no se puede describir mediante el método anterior.

En el caso de aceites con VI superior a 100 puedes utilizar una relación diferente que te permita obtener resultados exactos.

$${\displaystyle V.I.={{10^{N-1}} \over {0.00715}}+100}$$

$${\displaystyle N={{\operatorname {Log} (H)-\operatorname {Log} (O_{\text{Test}})} \over {\operatorname {Log} (v)}}}$$

donde, en este caso, H es la viscosidad a 100 °F (38 °C) del aceite con VI = 100 y v es la viscosidad cinemática del aceite en estudio a 210 °F (99 °C).

Por tanto, podemos decir, en conclusión, que un aumento de temperatura provoca una disminución de la viscosidad del aceite. También es útil tener en cuenta que, de la misma forma, un aumento de presión implica un aumento de viscosidad. Para evaluar los efectos de la presión sobre la viscosidad, se utiliza la siguiente ecuación

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

donde es el coeficiente de viscosidad a presión p, es el coeficiente de viscosidad a presión atmosférica y es una constante que describe la relación entre viscosidad y presión. ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \mu _{0}}$ ${\displaystyle \alpha }$

Medidas de viscosidad

Para determinar la viscosidad de un fluido se utilizan viscosímetros que se pueden dividir en 3 categorías principales:

• Viscosímetros capilares, en los que la viscosidad del fluido se mide deslizándolo dentro de un tubo capilar;
• Viscosímetros de gota de sólidos, en los que la viscosidad se mide calculando la velocidad de un sólido que se mueve en el fluido;
• Viscosímetros rotacionales, en los que la viscosidad se obtiene evaluando el flujo de fluido colocado entre dos superficies en movimiento relativo.

Los dos primeros tipos de viscosímetros se utilizan principalmente para fluidos newtonianos, mientras que el tercero es muy versátil.

Tener puesto

El desgaste es la eliminación progresiva e involuntaria de material de una superficie en movimiento relativo con otra o con un fluido. Podemos distinguir dos tipos diferentes de desgaste: desgaste moderado y desgaste severo. El primer caso se refiere a cargas bajas y superficies lisas, mientras que el segundo se refiere a cargas significativamente mayores y superficies compatibles y rugosas, en las que los procesos de desgaste son mucho más violentos. El desgaste juega un papel fundamental en los estudios tribológicos, ya que provoca cambios en la forma de los componentes utilizados en la construcción de maquinaria (por ejemplo). Estas piezas desgastadas deben ser reemplazadas y esto conlleva tanto un problema de carácter económico, por el coste de reposición, como un problema funcional, ya que si estos componentes no se reemplazan a tiempo, se podrían producir daños más graves a la máquina en su conjunto. . Este fenómeno, sin embargo, no sólo tiene aspectos negativos, sino que a menudo se utiliza para reducir la rugosidad de algunos materiales, eliminando las asperezas. Erróneamente tendemos a imaginar el desgaste en una correlación directa con la fricción, pero en realidad estos dos fenómenos no pueden relacionarse fácilmente. Puede haber condiciones tales que una baja fricción pueda provocar un desgaste significativo y viceversa. Para que este fenómeno ocurra se requieren ciertos tiempos de implementación, los cuales pueden variar dependiendo de algunas variables, como carga, velocidad, lubricación y condiciones ambientales, y existen diferentes mecanismos de desgaste, que pueden ocurrir simultáneamente o incluso combinados entre sí. :

1. Desgaste adhesivo;
2. Desgaste abrasivo;
3. Desgaste por fatiga;
4. Desgaste corrosivo;
5. Desgaste por roce o roce;
6. Desgaste por erosión;
7. Otros fenómenos de desgaste menores (desgaste por impacto, cavitación, desgaste por fusión, desgaste por dispersión).

Desgaste adhesivo

Como es sabido, el contacto entre dos superficies se produce mediante la interacción entre asperezas. ^[22] Si se aplica una fuerza cortante en el área de contacto, es posible que se desprenda una pequeña parte del material más débil, debido a su adhesión a la superficie más dura. Lo que se describe es precisamente el mecanismo del desgaste adhesivo representado en la figura. Este tipo de desgaste es muy problemático, ya que implica altas velocidades de desgaste, pero al mismo tiempo es posible reducir la adherencia aumentando la rugosidad y dureza de las superficies involucradas, o insertando capas de contaminantes como oxígeno, óxidos, agua. , o aceites. En conclusión, el comportamiento del volumen de desgaste adhesivo se puede describir mediante tres leyes principales

Ley 1 – Distancia

La masa involucrada en el desgaste es proporcional a la distancia recorrida en el roce entre las superficies.

Ley 2 – Carga

La masa involucrada en el desgaste es proporcional a la carga aplicada.

Ley 3 – Dureza

La masa involucrada en el desgaste es inversamente proporcional a la dureza del material menos duro.

Un aspecto importante del desgaste es la emisión de partículas de desgaste al medio ambiente, lo que amenaza cada vez más la salud humana y la ecología. El primer investigador que investigó este tema fue Ernest Rabinowicz . ^[23]

Desgaste abrasivo

El desgaste abrasivo consiste en el esfuerzo cortante de superficies duras que actúan sobre superficies más blandas y puede ser causado ya sea por la rugosidad que como puntas cortan el material contra el que rozan (desgaste abrasivo de dos cuerpos), o por partículas de material duro que interponerse entre dos superficies en movimiento relativo (desgaste abrasivo de tres cuerpos). A niveles de aplicación, el desgaste de dos cuerpos se elimina fácilmente mediante un adecuado acabado superficial, mientras que el desgaste de tres cuerpos puede traer serios problemas y por lo tanto debe eliminarse en la medida de lo posible mediante filtros adecuados, incluso antes de un pesado. diseno de la maquina.

Desgaste por fatiga

El desgaste por fatiga es un tipo de desgaste que es causado por cargas alternativas, que provocan fuerzas de contacto locales repetidas en el tiempo, que a su vez conducen al deterioro de los materiales involucrados. El ejemplo más inmediato de este tipo de uso es el de un peine. Si se pasa un dedo por los dientes del peine una y otra vez se observa que en algún momento uno o más dientes del peine se desprenden. Este fenómeno puede provocar la rotura de las superficies por causas mecánicas o térmicas. El primer caso es el descrito anteriormente en el que una carga repetida provoca elevadas tensiones de contacto. El segundo caso, sin embargo, se debe a la expansión térmica de los materiales involucrados en el proceso. Por lo tanto, para reducir este tipo de desgaste, es bueno intentar disminuir tanto las fuerzas de contacto como el ciclo térmico, es decir, la frecuencia con la que intervienen las diferentes temperaturas. Para obtener resultados óptimos también es bueno eliminar, en la medida de lo posible, impurezas entre superficies, defectos locales e inclusiones de materiales extraños en los cuerpos involucrados.

Desgaste corrosivo

El desgaste corrosivo se produce en presencia de metales que se oxidan o corroen. Cuando las superficies de metal puro entran en contacto con el entorno, se crean películas de óxido en sus superficies debido a los contaminantes presentes en el propio entorno, como agua, oxígeno o ácidos. Estas películas se eliminan continuamente de los mecanismos de desgaste abrasivos y adhesivos, y se recrean continuamente mediante interacciones de metales puramente contaminantes. Es evidente que este tipo de desgaste se puede reducir intentando crear un entorno 'ad hoc', libre de contaminantes y sensible a cambios térmicos mínimos. El desgaste corrosivo también puede ser positivo en algunas aplicaciones. De hecho, los óxidos que se crean contribuyen a disminuir el coeficiente de fricción entre las superficies o, siendo en muchos casos más duros que el metal al que pertenecen, pueden utilizarse como excelentes abrasivos.

Desgaste por roce o roce

El desgaste por fricción se produce en sistemas sometidos a vibraciones más o menos intensas, que provocan movimientos relativos entre las superficies en contacto del orden de nanómetros. Estos movimientos relativos microscópicos provocan tanto un desgaste adhesivo, provocado por el propio desplazamiento, como un desgaste abrasivo, provocado por las partículas producidas en la fase adhesiva, que quedan atrapadas entre las superficies. Este tipo de desgaste puede verse acelerado por la presencia de sustancias corrosivas y el aumento de temperatura. ^[24]

Desgaste por erosión

El desgaste por erosión se produce cuando partículas libres, que pueden ser sólidas o líquidas, golpean una superficie provocando abrasión. Los mecanismos implicados son de diversos tipos y dependen de ciertos parámetros, como el ángulo de impacto, el tamaño de las partículas, la velocidad de impacto y el material del que están hechas las partículas.

Factores que afectan el desgaste.

Entre los principales factores que influyen en el desgaste encontramos

• Dureza
• Solubilidad mutua
• Estructura cristalina

Se ha comprobado que cuanto más duro es un material, más disminuye. Del mismo modo, cuanto menos son dos materiales mutuamente solubles, más tiende a disminuir el desgaste. Finalmente, en cuanto a la estructura cristalina, es posible afirmar que algunas estructuras son más adecuadas para resistir el desgaste de otras, como por ejemplo una estructura hexagonal de distribución compacta, que sólo puede deformarse deslizándose a lo largo de los planos de base.

Tasa de desgaste

Para evaluar los daños causados ​​por el desgaste, utilizamos un coeficiente adimensional llamado tasa de desgaste, dado por la relación entre el cambio de altura de la carrocería y la longitud del deslizamiento relativo . ${\displaystyle \Delta h}$ ${\displaystyle \Delta l}$

$${\displaystyle T_{\text{wear}}={\delta h \over \Delta l}}$$

Este coeficiente permite subdividir, en función de su tamaño, los daños sufridos por diversos materiales en diferentes situaciones, pasando de un grado de desgaste modesto, pasando por un grado de desgaste medio, hasta un grado de desgaste severo.

En cambio, para expresar el volumen de desgaste V es posible utilizar la ecuación de Holm

• ${\displaystyle V=k{W \over H}l}$(para desgaste adhesivo)
• ${\displaystyle V=k_{a}{W \over H}l}$(para desgaste abrasivo)

donde W/H representa el área de contacto real, l la longitud de la distancia recorrida y k y son factores dimensionales experimentales. ${\displaystyle k_{a}}$

Medición de desgaste

En las mediciones experimentales del desgaste de materiales, a menudo es necesario recrear tasas de desgaste bastante pequeñas y acelerar los tiempos. Los fenómenos que en realidad se desarrollan después de años, en el laboratorio deben ocurrir al cabo de unos días. Una primera evaluación de los procesos de desgaste es una inspección visual del perfil superficial de la carrocería en estudio, incluyendo una comparación antes y después de que se produzca el fenómeno de desgaste. En este primer análisis se observan las posibles variaciones de la dureza y de la geometría superficial del material. Otro método de investigación es el del trazador radiactivo, utilizado para evaluar el desgaste a niveles macroscópicos. Uno de los dos materiales en contacto, implicado en un proceso de desgaste, se marca con un trazador radiactivo. De esta forma, las partículas de este material que se eliminarán serán fácilmente visibles y accesibles. Finalmente, para acelerar los tiempos de desgaste, una de las técnicas más conocidas utilizadas es la de las pruebas de contacto a alta presión. En este caso, para obtener los resultados deseados basta con aplicar la carga sobre una superficie de contacto muy reducida.

Aplicaciones

Transporte y fabricación

Históricamente, la investigación en tribología se concentraba en el diseño y la lubricación eficaz de los componentes de las máquinas, en particular los rodamientos . Sin embargo, el estudio de la tribología se extiende a la mayoría de los aspectos de la tecnología moderna y cualquier sistema en el que un material se deslice sobre otro puede verse afectado por interacciones tribológicas complejas. ^[25]

Tradicionalmente, la investigación en tribología en la industria del transporte se centraba en la confiabilidad, garantizando el funcionamiento seguro y continuo de los componentes de la máquina. Hoy en día, debido a una mayor atención al consumo de energía , la eficiencia se ha vuelto cada vez más importante y, por lo tanto, los lubricantes se han vuelto cada vez más complejos y sofisticados para lograrlo. ^[25] La tribología también juega un papel importante en la fabricación . Por ejemplo, en las operaciones de conformado de metales, la fricción aumenta el desgaste de la herramienta y la potencia necesaria para trabajar una pieza. Esto da como resultado mayores costos debido al reemplazo más frecuente de herramientas, pérdida de tolerancia a medida que cambian las dimensiones de la herramienta y mayores fuerzas requeridas para dar forma a una pieza.

El uso de lubricantes que minimizan el contacto directo con la superficie reduce el desgaste de la herramienta y los requisitos de potencia. ^[26] También es necesario conocer los efectos de la fabricación, todos los métodos de fabricación dejan una huella digital única en el sistema (es decir, la topografía de la superficie ) que influirá en el tribocontacto (por ejemplo, la formación de una película lubricante).

Investigación

Campos

Tribología de sistema abierto: contacto rueda-carril en invierno

La investigación en tribología abarca desde escalas macro hasta nano , en áreas tan diversas como el movimiento de placas continentales y glaciares hasta la locomoción de animales e insectos. ^{[25] [27]} La ​​investigación en tribología se concentra tradicionalmente en los sectores de transporte y manufactura , pero se ha diversificado considerablemente. La investigación en tribología se puede dividir aproximadamente en los siguientes campos (con cierta superposición):

• La tribología clásica se ocupa de la fricción y el desgaste de los elementos de las máquinas (como rodamientos , engranajes , cojinetes lisos , frenos , embragues , ruedas y cojinetes de fluido ), así como de los procesos de fabricación (como el conformado de metales ).
• La biotribología estudia la fricción , el desgaste y la lubricación en sistemas biológicos. Este campo está ganando importancia a medida que aumenta la esperanza de vida humana. Las articulaciones de la cadera y la rodilla humanas son sistemas biotribológicos típicos. ^[28]
• La tribología verde tiene como objetivo minimizar el impacto ambiental de los sistemas tribológicos a lo largo de todo su ciclo de vida . En particular, la tribología verde tiene como objetivo reducir las pérdidas tribológicas (por ejemplo, fricción y desgaste ) utilizando tecnologías con un impacto ambiental mínimo. Esto contrasta con la tribología tradicional, donde los medios para reducir las pérdidas tribológicas no se evalúan de manera integral. ^[29]
• La geotribología estudia la fricción, el desgaste y la lubricación de sistemas geológicos, como glaciares y fallas .
• La nanotribología estudia los fenómenos tribológicos a escalas nanoscópicas . Este campo está adquiriendo cada vez más importancia a medida que los dispositivos se vuelven más pequeños (por ejemplo, sistemas micro/nanoelectromecánicos, MEMS / NEMS ), y la investigación se ha visto favorecida por la invención de la microscopía de fuerza atómica .
• La tribología computacional tiene como objetivo modelar el comportamiento de sistemas tribológicos mediante simulaciones multifísicas , combinando disciplinas como la mecánica de contacto , la mecánica de fracturas y la dinámica de fluidos computacional .
• La tribología espacial estudia sistemas tribológicos que pueden operar en las condiciones ambientales extremas del espacio exterior . En particular, esto requiere lubricantes con baja presión de vapor que puedan soportar fluctuaciones extremas de temperatura.
• La tribología de sistemas abiertos estudia los sistemas tribológicos que están expuestos y afectados por el entorno natural .
• La triboinformática es una aplicación de métodos de Inteligencia Artificial , Aprendizaje Automático y Big Data a sistemas tribológicos. ^[30]

Recientemente, debido a la creciente demanda de ahorro de energía, se han iniciado estudios intensivos sobre la superlubricidad (fenómeno de fricción que desaparece). ^[31] Además, el desarrollo de nuevos materiales, como el grafeno y los líquidos iónicos , permite enfoques fundamentalmente nuevos para resolver problemas tribológicos . ^[32]

Sociedades

En la actualidad existen numerosas sociedades nacionales e internacionales, entre ellas: la Sociedad de Tribólogos e Ingenieros de Lubricación (STLE) en los EE. UU., la Institución de Ingenieros Mecánicos y el Instituto de Física (IMechE Tribology Group, IOP Tribology Group) en el Reino Unido, la Sociedad Alemana de Tribología (Gesellschaft für Tribologie), la Sociedad Coreana de Tribología (KTS), la Sociedad de Tribología de Malasia (MYTRIBOS), la Sociedad Japonesa de Tribólogos (JAST), la Sociedad de Tribología de la India (TSI), la Sociedad China de Ingeniería Mecánica (Chinese Tribology Institute) y el Consejo Internacional de Tribología.

Enfoque de investigación

La investigación en tribología es mayoritariamente empírica, lo que puede explicarse por la gran cantidad de parámetros que influyen en la fricción y el desgaste en los contactos tribológicos. Por lo tanto, la mayoría de los campos de investigación dependen en gran medida del uso de tribómetros y procedimientos de prueba estandarizados, así como de bancos de pruebas a nivel de componentes.

Ver también

• Aditivo antidesgaste  : aditivos para lubricantes para evitar el contacto metal con metal.
• Cojinete  : mecanismo para restringir el movimiento relativo al movimiento deseado y reducir la fricción.
• Soldadura en frío  : proceso de soldadura en el que la unión se produce sin fundir ni calentar la interfaz.
• Mecánica de contacto  – Estudio de la deformación de sólidos que se tocan entre sí.
• Fretting  : desgaste o daño en superficies cargadas
• Fricción  : fuerza que resiste el movimiento deslizante.
• Modificador de fricción  : aditivo lubricante para reducir la fricción y el desgaste.
• Galling  : forma de desgaste causada por la adhesión entre superficies deslizantes.
• Leonardo da Vinci  : erudito del Renacimiento italiano (1452-1519)
• Lista de organizaciones de tribología
• Lubricante  : sustancia introducida para reducir la fricción entre superficies en contacto mutuo.
• Lubricación  : presencia de un material para reducir la fricción entre dos superficies.
• Aditivo de aceite  : compuestos químicos que mejoran el rendimiento lubricante del aceite base.
• Análisis de aceite  : análisis de laboratorio de las propiedades y contaminantes de un lubricante a base de aceite.
• Peter Jost  - ingeniero mecánico británico
• Esclerómetro  : instrumento utilizado para medir la dureza de un material.
• Tribología espacial  : sistemas tribológicos para aplicaciones de naves espaciales
• Ciencia de superficies  : estudio de fenómenos físicos y químicos que ocurren en la interfaz de dos fases.
• Tribocorrosión  : degradación del material debido a la corrosión y el desgaste.
• Tribómetro  – Instrumento que mide la fricción y el desgaste entre superficies.
• Desgaste  : daño, eliminación gradual o deformación del material en superficies sólidas.
• Ditiofosfato de zinc  – Aditivo lubricante

Notas a pie de página

1. Theodor Reye era politécnico en Zúrich, en 1860, pero luego se convirtió en profesor en Estrasburgo, según Moritz (1885) p. 535. ^[8]

Referencias

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enlaces externos

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