Tribology

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La Tribología es la ciencia y la ingeniería que estudian 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. 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.

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, en el informe homónimo que destacaba el coste de la fricción, el desgaste y la corrosión para la economía del Reino Unido.

Historia

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' de fricción. 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.

Las dos 'leyes' de fricción fueron publicados por primera vez (en 1699) por Guillaume Amontons, con cuyo nombre ahora se suelen asociar. Afirman que:

la fuerza de fricción que actúa entre dos superficies correderas es proporcional a la carga que presiona las superficies juntas
la fuerza de fricción es independiente del área aparente de contacto entre las dos superficies.

Aunque no son de aplicación universal, estas sencillas afirmaciones son válidas para una gama sorprendentemente amplia de sistemas. 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.

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. En 1860, Theodor Reye propuso la hipótesis de Reye [it]. 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.

Otros pioneros de la investigación en tribología son el físico australiano Frank Philip Bowden y el físico británico David Tabor, ambos del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Juntos escribieron el libro de texto fundamental La fricción y la lubricación de sólidos (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, que editó por primera vez en 1973 y actualizó en 1995, todavía se utiliza en todo el mundo y constituye 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). 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 utilizó ampliamente después del Informe Jost publicado en 1966. El informe destacó el enorme coste de la fricción, el desgaste y la corrosión para la economía del Reino Unido (1,1– 1,4% del PIB). 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".

Importancia

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 sigue siendo considerable. En 2017, Kenneth Holmberg y Ali Erdemir intentaron cuantificar su impacto en todo el mundo. Consideraron los cuatro principales sectores consumidores de energía: transporte, manufactura, generación de energía y residencial. Se concluyó lo siguiente:

En total, ~23% del consumo energético del mundo proviene de contactos tribológicos. De eso, el 20% es superar la fricción y el 3% remanufactura piezas gastadas y equipos de repuesto debido al desgaste y el desgaste.
Aprovechando las nuevas tecnologías para la reducción y protección del desgaste, las pérdidas energéticas debido a la fricción y el desgaste en vehículos, maquinaria y otros equipos en todo el mundo podrían reducirse en un 40% a largo plazo (15 años) y un 18% a corto plazo (8 años). A escala mundial, estos ahorros ascenderían al 1,4% del PIB anual y al 8,7% del consumo total de energía a largo plazo.
Los mayores ahorros energéticos a corto plazo se prevén en el transporte (25%) y en la generación de energía (20%) mientras que los posibles ahorros en los sectores manufacturero y residencial se estiman en ~10%. A más largo plazo, los ahorros serían 55%, 40%, 25% y 20%, respectivamente.
La aplicación de tecnologías tribológicas avanzadas también puede reducir las emisiones mundiales de dióxido de carbono por un equivalente de 1.460 millones de toneladas de dióxido de carbono (MtCO)₂) y resultado en 450.000 millones de euros de ahorro de costos a corto plazo. A largo plazo, la reducción podría ser tan grande como 3.140 MtCO₂ y los ahorros de costos 970.000 millones de euros.

La tribología clásica que cubre 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.

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. Hay dos tipos principales de fricción:

Fricción estatica: Que ocurre entre superficies en un estado fijo, o relativamente estacionario.
Fracción dinámica: Lo 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.

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:

First Law of Amontons: La fricción es independiente del área aparente de contacto.
Second Law of Amontons: La fuerza friccional es directamente proporcional a la carga normal.
Tercera ley de Coulomb: La fricción dinámica es independiente de la velocidad de deslizamiento relativa.

Fricción estática

Considere un bloque de cierta masa m, colocado en una posición tranquila en un plano horizontal. Si quieres mover el bloque, una fuerza externa ${displaystyle {vec}_{out}}$ debe ser aplicado, de esta manera observamos una cierta resistencia a la moción dada por una fuerza igual o contraria a la fuerza aplicada, que es precisamente la fuerza friccional estática ${fnMicrosoft Sans Serif}$ .

Al aumentar continuamente la fuerza aplicada, obtenemos un valor tal que el bloque comienza instantáneamente a moverse. En este punto, también teniendo en cuenta las dos primeras leyes de fricción mencionadas anteriormente, es posible definir la fuerza de fricción estática como una fuerza igual en módulo a la fuerza mínima necesaria para causar el movimiento del bloque, y el coeficiente de fricción estática ${displaystyle mu }$ como la relación de la fuerza de fricción estática ${fnMicrosoft Sans Serif}$ . y la fuerza normal en bloque ${displaystyle {vec}}$ , obtención

{fnMicrosoftware {fnMicrosoft Sans Serif} {fnh00}derecho}

Fricción dinámica

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

{displaystyle lefttención{vec {fnMicrosoft Sans Serif}derechoso para siempre {N} 'justo en la vida'

Coeficiente de fricción estática y dinámica

En este punto es posible resumir las principales propiedades de los coeficientes de fricción estáticos ${displaystyle mu }$ y la dinámica ${displaystyle k}$ .

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

Por lo general, el valor de ambos coeficientes no excede 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.

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

Tabla de coeficientes de fricción estáticos y dinámicos más utilizados
Superficies de contacto	Fricción estatica	Fracción dinámica
Madera	0,25–0,5	0.2
Cartón de madera	0.32	0.23
Hielo - hielo	0.1	0,02
Esquio de madera enmarcada	0,04	0,04
Cristal	0.9–1.0	0,4
Estela de acero (smooth)	0.6	0.6
Estela de acero (lubricada)	0,09	0,05
Acero – hielo	0.1	0,05
Steel-ice (dry)	0,78	0.42
Acero-aluminio	0.61	0.47
Acero-bras	0.51	0.44
Acero-aire	0,001	0,001
Acero – Teflon	0,04	0,04
Teflon – Teflon	0,04	0,04
Rubber-cement (dry)	1.0	0,8
Rubber-cement (wet)	0.7	0.5
Cobre - talón	0,53	0.36
Cobre-glass	0,688	0,53
Juntas sinoviales	0,01	0,003

Fricción por rodadura

En el caso de los cuerpos capaces de rodar, hay un tipo particular de fricción, en el que el fenómeno deslizante, típico de fricción dinámica, no ocurre, pero también hay una fuerza que se opone al movimiento, que también excluye el caso de fricción estática. Este tipo de fricción se llama fricción rodante. Ahora queremos observar en detalle lo que le sucede a una rueda que roda en un plano horizontal. Inicialmente la rueda es inmóvil y las fuerzas que actúan en ella son la fuerza de peso ${displaystyle m{vec}}$ y la fuerza normal ${displaystyle {vec}}$ dada por la respuesta al peso del suelo.

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 del coeficiente de fricción de rodadura. 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

{fnMicrosoft Sans Serif}={vec} {b}times m{vec}

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 la fricción ondulada depende, por tanto, de las pequeñas deformaciones sufridas por la superficie de apoyo y por la rueda misma, y puede expresarse como ${fnMicrosoft Sans Serif}Principalmente {N}tuvos}$ , donde es posible expresar b en relación con el coeficiente de fricción deslizante ${displaystyle mu }$ como ${textstyle b={mu vover r}$ , con r siendo el radio de rueda.

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:

Estructura cristalina: estructura básica del metal, forma interior a granel;
Capa mecanizada – capa que también puede tener inclusiones de material extranjero y que deriva de los procesos de procesamiento a los que se ha sometido el metal;
La capa endurecida – tiene una estructura cristalina de mayor dureza que las capas internas, gracias al rápido enfriamiento al que están sujetas en los procesos de trabajo;
capa exterior o capa de óxido – capa que se crea debido a la interacción química con el entorno del metal y de 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 un gran número de regiones microscópicas, en la literatura llamadas asperezas o uniones de contacto, donde tiene lugar el contacto átomo a átomo. El fenómeno de fricción, y por tanto de disipación de energía, se debe precisamente a las deformaciones que sufren tales regiones debido a la carga y al movimiento relativo. Se pueden observar deformaciones plásticas, elásticas o de rotura:

Deformaciones de plástico – deformaciones permanentes de la forma de los golpes;
Deformaciones elásticas – deformaciones en las que la energía gastada en la fase de compresión se recupera casi por completo en la fase de descompresión (histeresis elástica);
Romper deformaciones – deformaciones que conducen a la ruptura de golpes 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 adherencia establece que en el caso de las asperidades esféricas en contacto entre sí, sometidas a ${displaystyle {vec}}$ carga, se observa una deformación que, a medida que aumenta la carga, pasa de una deformación elástica a una deformación plástica. Este fenómeno implica una ampliación del área de contacto real ${displaystyle A_{r}$ , que por esta razón se puede expresar como:

{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, y por lo tanto la fuerza de fricción estará dada por

{displaystyle {vec {F}_{}=A_{r}{vec} {}}

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}

así relacionado con las dos propiedades materiales: fuerza de derrame t y dureza. Para obtener coeficientes de fricción de bajo valor ${displaystyle mu }$ es posible recurrir a materiales que requieren menos estrés de esquila, pero que también son muy difíciles. En el caso de los lubricantes, de hecho, utilizamos un sustrato de material con baja tensión de corte t, colocado en un material muy duro.

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 {fnMicroc {fnfnMicroc} {fnMicroc} {fnMicroc} {fn} {fnfn}fnfnfnfnK}fnK} {\fnf}fnf}fnfnfnf}fnKfnh}fnfnh}fnKfnh}fnh}fnfnfnK}fnfnK}\f}fnh}fnK\\fnfn\\\fnh}\\\fnKfnh}fnh}fnKfn\fnhfn\fnh}fnh}fnh}fnh}fnh}\fn\\\fnh}fnKfn {W}_{i}}derecha)}{2}+alpha left({frac {vec {vec} {F}_{i} {} {}}}} {2}}}} {f}} {f}} {f}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}} {f}}}} {f}} {}}}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

con ${displaystyle alpha }$ constante y una fuerza "tangente" ${displaystyle {vec}_{i}$ aplicado a la articulación.

Para obtener consideraciones aún más realistas, también debe considerarse el fenómeno del tercer cuerpo, es decir, la presencia de materiales extranjeros, como humedad, óxidos o lubricantes, entre los dos sólidos en contacto. A continuación se introduce un coeficiente c que es capaz de correlacionar la fuerza de la ola t del "material" puro y el del tercer cuerpo ${displaystyle T_{t.b.}$

{displaystyle t=ccdot t_{t.b.}

Estudiando el comportamiento en los límites será que para c = 0, t = 0 y para c = 1 retorna 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}{alpha (1-c^{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}=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 en el que se hace un bloque de material para deslizarse. Como se puede ver en la figura, la fuerza normal del avión es dada por ${displaystyle mgcos theta }$ , mientras que la fuerza friccional es igual a ${displaystyle mgsin theta }$ . Esto nos permite afirmar que el coeficiente de fricción se puede calcular muy fácilmente, por medio del tangente del ángulo en el que el bloque comienza a deslizarse. De hecho tenemos

{displaystyle mu ={F_{a} over N}={mgsin theta over mgcos 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 pasadores y discos. Hoy en día existen máquinas digitales como el "Friction Tester" lo que permite, mediante un soporte 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. A diferencia de lo que podría pensar, no se trata sólo 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 intentamos conseguir mediante estos materiales es una perfecta lubricación fluida, o una lubricación tal que se pueda evitar el contacto directo entre las superficies en cuestión, insertando una película lubricante entre ellas. Para ello existen dos posibilidades, dependiendo del tipo de aplicación, los costes a abordar y el nivel de "perfección" De la lubricación que se desea conseguir, se puede elegir entre:

Lubricación fluidostática (o hidrostática en el caso de los aceites minerales) - que consiste en la inserción de material lubricante bajo presión entre las superficies en contacto;
Lubricación fluida (o hidrodinámica) – que consiste en explotar 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 logrado una comprensión más profunda del fenómeno. De hecho, introdujo el concepto de flujo laminar: "un flujo en el que la velocidad cambia de capa a capa". Es posible dividir idealmente un fluido entre dos superficies ( ${displaystyle S_{1}$ , ${displaystyle S_{2}$ ) del área A, en varias capas.

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

De lo dicho, es posible 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 Fpropto A{dv over dy}

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

{displaystyle F=mu A{dv over dy}

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

{displaystyle F=mu A{v over L}

La viscosidad ${displaystyle mu }$ es alta en líquidos que se oponen fuertemente al movimiento, mientras que está contenida para líquidos que fluyen fácilmente.

Tabla de coeficientes de viscosidad μ para algunos líquidos
Fluido	μ(Pa ⋅ s)
CO₂	1.5 ⋅ 10^{; 5 -}
Aire	1.8 ⋅ 10^{; 5 -}
Gasolina	2.9 ⋅ 10⁻⁴
Agua (90 °C)	0,32 ⋅ 10⁻³
Agua (20 °C)	1.0 ⋅ 10⁻³
Sangre (37 °C)	4.0 ⋅ 10⁻³
Aceite (20 °C)	0,03
Aceite (0 °C)	0.11
Glycerin	1,5

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

{displaystyle Re={rho Lv} over mu }

Esta es una constante que depende de la masa de fluidos ${displaystyle rho }$ del fluido, en su viscosidad ${displaystyle mu }$ y sobre el diámetro L del tubo en el que el fluido fluye. Si el número de Reynolds es relativamente bajo, entonces hay un flujo laminar, mientras que para ${displaystyle Resimeq 2000}$ el flujo se convierte en turbulento.

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

fluidos newtonianos, o fluidos en los que la viscosidad es una función de temperatura y presión de fluidos solamente y no de gradiente de velocidad;
Non-Newtonian Fluidos, o líquidos 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:

Condiciones meteorológicas;
Factores térmicos locales (como para motores de coche o bombas de refrigeración);
Disipación energética debido al frotamiento 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 (V.I.). 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 usted está fuera del rango de temperatura fija;
Con el avance de las tecnologías, aceites con V.I. más de 100, que no pueden describirse por el método anterior.

En el caso de aceites con V.I. por encima de 100 puedes usar una relación diferente que te permita obtener resultados exactos

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

{displaystyle No. {Log} (H)-operatorname {Log} {fnMicrosoft Sans Serif}}

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

Por lo tanto, podemos decir, en conclusión, que un aumento de temperatura conduce a 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 ${displaystyle mu }$ es el coeficiente de viscosidad de presión p, ${displaystyle mu _{0}}$ es el coeficiente de viscosidad a presión atmosférica y ${displaystyle alpha }$ es una constante que describe la relación entre viscosidad y presión.

Medidas de viscosidad

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

Visómetros capilares, en los que la viscosidad del líquido se mide deslizando hacia un tubo capilar;
Viscometers de gota sólida, en los que se mide la viscosidad calculando la velocidad de un sólido que se mueve en el fluido;
Viscometers rotacionales, en los que se obtiene la viscosidad 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.

Desgaste

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.:

El desgaste adhesivo;
El desgaste abrasivo;
El desgaste de fatiga;
El desgaste corresivo;
Usar o fregar;
Erosión de desgaste;
Otros fenómenos menores de desgaste (desgaste por impacto, cavitación, derrame de desgaste, pan de desgaste).

Desgaste adhesivo

Como es sabido, el contacto entre dos superficies se produce a través de la interacción entre asperezas. Si se aplica una fuerza cortante en la zona 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 viajada en el frotamiento 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 de la menos material duro.

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

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 a modo de puntas cortan el material contra el que rozan (desgaste abrasivo de dos cuerpos), o por partículas de Material duro que se interpone 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. Claramente, este tipo de desgaste se puede reducir intentando crear un diseño "ad hoc". ambiente, libre de contaminantes y sensible a mínimos cambios térmicos. 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.

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

Hardness
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 proporcionar una evaluación del daño causado por el desgaste, utilizamos un coeficiente sin dimensiones llamado tasa de desgaste, dada por la relación entre el cambio de altura del cuerpo ${displaystyle Delta h}$ y la longitud del deslizamiento relativo ${displaystyle Delta l}$ .

{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.


Clase	T_usury	Nivel de uso
0	10^{− 13 -} 10 - 10⁻¹²	Moderado
1	10⁻¹² 10 - 10^{−11 -}
2	10^{−11 -} 10 - 10⁻¹⁰
3	10⁻¹⁰ 10 - 10⁻⁹	Mediana
4	10⁻⁹ 10 - 10⁻⁸
5	10⁻⁸ 10 - 10⁻⁷
6	10⁻⁷ 10 - 10⁻⁶
7	10⁻⁶ 10 - 10^{; 5 -}	Sever
8	10^{; 5 -} 10 - 10⁻⁴
9	10⁻⁴ 10 - 10⁻³

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

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

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

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.

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. 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. 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

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. La investigación en tribología se concentra tradicionalmente en los sectores del transporte y la 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 refiere a la fricción y el desgaste en elementos de máquina (como rodamientos de rodillos, engranajes, rodamientos lisos, frenos, garras, ruedas y rodamientos de fluidos) así como procesos de fabricación (como la formación de metal).
Biotribology estudia fricción, desgaste y lubricación en sistemas biológicos. El terreno está cobrando importancia a medida que aumenta la esperanza de vida humana. Las articulaciones de cadera y rodilla humanas son sistemas de biotribología típicos.
La tribología verde pretende minimizar el impacto ambiental de los sistemas tribológicos a lo largo de todo su ciclo de vida. En particular, la tribología verde pretende 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 holísticamente.
Geotribología estudia fricción, desgaste y lubricación de sistemas geológicos, como glaciares y fallas.
La nanotribología estudia fenómenos tribológicos a escalas nanoscópicas. El campo se está volviendo cada vez más importante a medida que los dispositivos se vuelven más pequeños (por ejemplo, sistemas micronanoelectromecánicos, MEMS/NEMS), y la investigación ha sido apoyada por la invención de la microscopía de la Fuerza Atómica.
La tribología computacional pretende modelar el comportamiento de los sistemas tribológicos mediante simulaciones multifísicas, combinando disciplinas como la mecánica de contacto, la mecánica de fracturas y la dinámica de fluidos computacionales.
La tribología espacial estudia sistemas tribológicos que pueden operar bajo las condiciones ambientales extremas del espacio exterior. En particular, esto requiere lubricantes con baja presión de vapor que pueden soportar fluctuaciones de temperatura extrema.
Sistema abierto tribología estudia sistemas tribológicos que están expuestos y afectados por el entorno natural.
Triboinformática es una aplicación de Inteligencia Artificial, Aprendizaje de Máquinas y Big Data métodos a sistemas tribológicos.

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

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 (Instituto Chino de Tribología) y el Consejo Internacional de Tribología.

Enfoque de investigación

La investigación en tribología es principalmente 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.

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