Attrito e usura, i nemici del movimento e della durata
Tribologia, lubrificazione, scorrimento e protezione degli organi meccanici
Il sito archeologico di Stonehenge rappresenta un patrimonio unico, un archivio sulla faticosa vita dell’uomo preistorico, il misterioso sentiero funebre per l’esistenza oltre la breve parentesi terrena ricavato dalle pietre Sarsen provenienti dai Marlborough Downs, nell’area nota come West Woods.
Un henge è un luogo particolare, un cerchio rialzato su acque sotterranee Yang, un vortice di energie mistiche che crea benessere alle persone presenti.
Stonehenge è anche un capolavoro di ingegneria; tra i recenti ritrovamenti sulla quotidianità della gente di Avebury si contano numerose ceramiche, contenitori utilizzati per raccogliere il grasso disciolto del maiale arrostito, il bestiame per uso domestico più comune dell’epoca.
Storici e archeologi ritengono che il lardo di suino fosse impiegato non per l’alimentazione umana, ma come rudimentale tecnologia di scorrimento per le slitte di trasporto dei Sarsen da 25 tonnellate
Attrito
L’attrito è la forza che si oppone al movimento tra due corpi in contatto superficiale tra di loro. L’attrito si suddivide tra quello di strisciamento tra superfici, quello di rotolamento o volvente e quello mediato da fluido.
Attrito da strisciamento a secco
I corpi sono a diretto contatto tra le rispettive superfici; per quanto lisce possano sembrare le aree di contatto presentano sempre delle piccole imperfezioni, come dei piccoli coni irregolari, le cui punte sono a contatto tra di loro.
A seconda se i corpi sono fermi tra di loro o in moto relativo, si presentano due tipologie:
- Statico – i picchi delle irregolarità superficiali sono premuti tra di loro da una forza, ad esempio la gravità terrestre (peso). Si formano quindi delle microsaldature tra le irregolarità che si oppongono allo strisciamento tra le superfici dei corpi a contatto. Questo effetto è tanto maggiore quando il materiale di cui sono fatti i corpi è lo stesso, cioè la stessa struttura atomica
- Dinamico – quando si imprime una forza trasversale sufficiente a rompere le microsaldature, allora s’imprime un moto relativo tra le due superfici e i corpi. La forza necessaria per mantenere il movimento in questo caso è minore rispetto a quella per vincere l’attrito statico, le microsaldature fanno fatica a riformarsi in movimento
Il coefficiente di proporzionalità diretta definito µ (si legge “mu”) mette in relazione la forza necessaria per vincere l’attrito statico F s o dinamico F d e la forza peso degli oggetti stessi che normalmente crea il contatto
il coefficiente di attrito cambia secondo la combinazione dei materiali dei due corpi:
Per convenzione si assume il coefficiente di attrito Acciaio – Acciaio da strisciamento a secco dinamico µ d = 0,5
Attrito da strisciamento con lubrificazione limite
Si supponga di interporre un sottilissimo strato di sostanza lubrificante tra i due corpi (qualche nanometro) in modo che le rispettive superfici siano ancora a diretto contatto;
la presenza del lubrificante ostacola la formazione delle microsaldature e il coefficiente di attrito si riduce notevolmente, a un decimo di quello a secco
Per convenzione si assume il coefficiente di attrito Acciaio – Acciaio da strisciamento con lubrificazione limite dinamico µ ll = 0,05
Attrito da rotolamento o volvente
Per diminuire ulteriormente la forza necessaria per vincere l’attrito, si supponga ora di interporre un corpo cilindrico o sferico tra i due corpi principali, in questo modo
una o più coppie rotoidali evitano lo strisciamento per contatto diretto delle superfici
il coefficiente di attrito si riduce a un valore molto basso;
Per convenzione si assume il coefficiente di attrito Acciaio – Acciaio da rotolamento o volvente µ v = 0,001
Attrito da lubrificazione mediata o perfetta
Si supponga ora di interporre un consistente strato di sostanza lubrificante tra i due corpi (qualche centesimo di millimetro) in modo che le rispettive superfici non siano più a contatto diretto. Otteniamo quindi un contatto mediato da un fluido con uno schema solido-fluido-solido dove le irregolarità superficiali non entrano più in gioco.
Questo strato intermedio generato dal fluido, questa intercapedine, prende il nome di meato
Per convenzione si assume il coefficiente di attrito Acciaio – Acciaio da lubrificazione mediata o perfetta (dinamico) µ v = 0,001; in questo modo il coefficiente di attrito è equivalente a quello volvente.
Usura
L’usura è il distacco, la rimozione di materiale in genere non voluta tra i corpi in contatto superficiale tra di loro. È una diretta conseguenza dell’attrito. In genere, l’usura è dannosa perché provoca dei cambiamenti nelle forme, nelle dimensioni e nel peso degli organi meccanici, cambiando le loro caratteristiche funzionali.
In alcuni casi, l’usura di un membro meccanico è voluta o programmata per salvaguardare il funzionamento di un sistema critico o per allungare la durata di un altro membro
Nel sistema frenante dell’automobile, il disco collegato alla ruota e i pattini (o pastiglie) solidali al telaio sono messi con forza a contatto diretto per rallentare o fermare la corsa del veicolo, disperdendone l’energia cinetica trasformata in calore proprio dall’attrito.
In questo caso l’usura è il consumo del materiale previsto e monitorato costantemente dai sistemi di controllo di un sistema frenante.
Usura adesiva (statica)
Quando i corpi sono a contatto diretto in una situazione statica, le microsaldature possono generare dei distacchi di materiale non appena si produce un movimento trasversale.
Questo effetto è tanto maggiore quando i materiali di cui sono fatti i corpi sono diversi in termini di durezza;
il materiale più morbido tende a rimanere attaccato a quello più duro
Ad esempio, gli pneumatici di un’auto abbandonata col tempo tendono a incollarsi alla superficie del pavimento del garage.
Usura abrasiva (dinamica)
Accade alla presenza di una superficie particolarmente dura, con delle asperità e spigoli. Quando questo corpo ha un moto relativo trasversale a contatto con un corpo più tenero, ne asporta dei frammenti.
Molti utensili per lavorazioni meccaniche usano questo fenomeno per modificare la forma, le dimensioni o per eseguire un taglio sul pezzo oggetto della lavorazione
Ad esempio, la carta abrasiva, la lima, la mola e la smerigliatrice angolare sono utensili utilizzati comunemente nelle officine meccaniche.
Usura corrosiva o tribossidativa (reazione chimica)
In questo caso non c’è un contatto tra le superfici di due corpi, ma un agente, in genere liquido o gassoso, che genera una reazione chimica sulla superficie di un corpo metallico, chiamata ossidazione;
Quando un frammento del metallo ossidato si stacca dal corpo, si ha usura
È possibile misurare l’usura con vari sistemi; sensori elettrici per lo spessore rimasto nei sistemi frenanti, peso del pezzo oppure misura del peso dei detriti raccolti dal lubrificante in un sistema d’ingranaggi.
Immagine in evidenza: Business heavy tasks and problems concept. Fonte: 123rf