O atrito é a força que resiste ao movimento relativo de superfícies sólidas, camadas de fluido e elementos materiais que deslizam uns contra os outros. [2] Existem vários tipos de
atrito: Quando as superfícies em contato se movem em relação uma à outra, o atrito entre as duas
superfícies converte energia cinética em energia térmica (isto é, converte trabalho em calor ). Essa propriedade pode ter
consequências dramáticas, conforme ilustrado pelo uso do atrito criado ao esfregar pedaços de madeira para iniciar um incêndio. A energia cinética é convertida em energia térmica sempre que ocorre movimento com atrito, por exemplo, quando um fluido viscoso é agitado. Outra consequência importante de muitos tipos de atrito pode ser o
desgaste , que pode levar à degradação do desempenho ou danos aos componentes. O atrito é um componente da ciência da tribologia . O atrito é desejável e importante para fornecer tração para facilitar o movimento em terra. A
maioria dos veículos terrestres depende do atrito para acelerar, desacelerar e mudar de direção. Reduções repentinas na tração podem causar perda de controle e acidentes. O atrito não é em si uma força fundamental . O atrito seco surge de uma combinação de adesão entre superfícies, rugosidade da
superfície, deformação da superfície e contaminação da superfície. A complexidade dessas interações torna o cálculo de fricção a partir dos primeiros princípios impraticável e exige o uso de métodos empíricos para análise e desenvolvimento de teoria. O atrito é uma
força não conservadora - o trabalho realizado contra o atrito depende do caminho. Na presença de atrito, alguma energia cinética é sempre transformada em energia térmica, portanto a energia mecânica não é conservada.
História
Os gregos, incluindo Aristóteles , Vitrúvio e Plínio, o Velho , estavam interessados na causa e na mitigação do atrito. [8] Eles estavam cientes das diferenças entre o atrito estático e cinético com Themistius afirmando em 350 DC que "é mais fácil promover o movimento de um corpo em movimento do que mover um corpo em repouso". [8] [9] [10] [11]
As leis clássicas do atrito deslizante foram descobertas por Leonardo da Vinci em 1493, um pioneiro da tribologia , mas as leis documentadas em seus cadernos não foram publicadas e permaneceram desconhecidas. [12] [13] [14] [15] [16] [17] Essas leis foram redescobertas por Guillaume Amontons em 1699 [18] e ficaram conhecidas como as três leis do atrito seco de Amonton. Amontons apresentou a natureza do atrito em termos de irregularidades superficiais e a força necessária para elevar o peso pressionando as superfícies uma contra a outra. Esta visão foi posteriormente elaborada por Bernard Forest de Bélidor [19] e Leonhard Euler (1750), que derivaram o ângulo de repouso de um peso em um plano inclinado e primeiro distinguiram entre atrito estático e cinético. [20] John Theophilus Desaguliers (1734) reconheceu pela primeira vez o papel da adesão na fricção. [21] As forças microscópicas fazem com que as superfícies se colem; ele propôs que o atrito era a força necessária para separar as superfícies aderentes.
A compreensão do atrito foi posteriormente desenvolvida por Charles-Augustin de Coulomb (1785). [18] Coulomb investigou a influência de quatro fatores principais no atrito: a natureza dos materiais em contato e seus revestimentos de superfície; a extensão da área de superfície; a pressão normal (ou carga); e o tempo que as superfícies permaneceram em contato (tempo de repouso). [12] Coulomb considerou ainda a influência da velocidade de deslizamento, temperatura e umidade, a fim de decidir entre as diferentes explicações propostas sobre a natureza do atrito. A distinção entre atrito estático e dinâmico é feita na lei de atrito de Coulomb (ver abaixo), embora essa distinção já tenha sido feita por Johann Andreas von Segner em 1758. [12] O efeito do tempo de repouso foi explicado por Pieter van Musschenbroek (1762 ) ao considerar as superfícies dos materiais fibrosos, com as fibras engrenando umas nas outras, o que leva um tempo finito em que o atrito aumenta.
John Leslie (1766-1832) notou uma fraqueza nas visões de Amontons e Coulomb: Se a fricção surge de um peso sendo puxado no plano inclinado de asperezas sucessivas , por que então não é equilibrado descendo a encosta oposta? Leslie era igualmente cético quanto ao papel da adesão proposto por Desaguliers, que deveria, em geral, ter a mesma tendência para acelerar e retardar o movimento. [12] Na visão de Leslie, o atrito deve ser visto como um processo dependente do tempo de achatamento, pressionando as asperezas, o que cria novos obstáculos no que antes eram cavidades.
Arthur Jules Morin (1833) desenvolveu o conceito de fricção deslizante versus deslizante. Osborne Reynolds (1866) derivou a equação do fluxo viscoso. Isso completou o modelo empírico clássico de atrito (estático, cinético e fluido) comumente usado hoje em engenharia. [13] Em 1877, Fleeming Jenkin e JA Ewing investigaram a continuidade entre o atrito estático e cinético. [22]
O foco da pesquisa durante o século 20 tem sido entender os mecanismos físicos por trás do atrito. Frank Philip Bowden e David Tabor (1950) mostraram que, em um nível microscópico , a área real de contato entre as superfícies é uma fração muito pequena da área aparente. [14] Esta área real de contato, causada por asperezas, aumenta com a pressão. O desenvolvimento do microscópio de força atômica (ca. 1986) permitiu aos cientistas estudar o atrito na escala atômica , [13] mostrando que, nessa escala, o atrito seco é o produto da tensão de cisalhamento inter-superficial e a área de contato. Essas duas descobertas explicam a primeira lei de Amonton (abaixo) ; a proporcionalidade macroscópica entre a força normal e a força de atrito estático entre superfícies secas.
Leis da fricção seca
A propriedade elementar do atrito deslizante (cinético) foi descoberta por experimento nos séculos 15 a 18 e foi expressa como três leis empíricas:
- Primeira Lei de Amontons : A força de atrito é diretamente proporcional à carga aplicada.
- Segunda Lei de Amontons : A força de atrito é independente da área aparente de contato.
- Lei da Fricção de Coulomb : a fricção cinética é independente da velocidade de deslizamento.
Atrito seco
O atrito seco resiste ao movimento lateral relativo de duas superfícies sólidas em contato. Os dois regimes de atrito seco são 'atrito estático' ("atrito esticado ") entre superfícies imóveis e atrito cinético (às vezes chamado de atrito deslizante ou atrito dinâmico) entre superfícies móveis.
O atrito de Coulomb, em homenagem a Charles-Augustin de Coulomb , é um modelo aproximado usado para calcular a força de atrito seco. É regido pelo modelo:
Onde
- é a força de atrito exercida por cada superfície na outra. É paralelo à superfície, em uma direção oposta à rede de força aplicada.
- é o coeficiente de atrito, que é uma propriedade empírica dos materiais em contato,
- é a força normal exercida por cada superfície sobre a outra, dirigida perpendicularmente (normal) à superfície.
O atrito de Coulomb pode assumir qualquer valor de zero até , e a direção da força de atrito contra uma superfície é oposta ao movimento que a superfície experimentaria na ausência de atrito. Assim, no caso estático, a força de atrito é exatamente o que deve ser para impedir o movimento entre as superfícies; ele equilibra a força resultante que tende a causar tal movimento. Nesse caso, em vez de fornecer uma estimativa da força de atrito real, a aproximação de Coulomb fornece um valor limite para essa força, acima do qual o movimento começaria. Essa força máxima é conhecida como tração .
A força de atrito é sempre exercida em uma direção que se opõe ao movimento (para atrito cinético) ou movimento potencial (para atrito estático) entre as duas superfícies. Por exemplo, uma pedra curling deslizando ao longo do gelo experimenta uma força cinética que a torna mais lenta. Para um exemplo de movimento potencial, as rodas motrizes de um carro em aceleração sofrem uma força de atrito apontando para frente; do contrário, as rodas girariam e a borracha deslizaria para trás ao longo do pavimento. Observe que não é a direção do movimento do veículo que eles se opõem, é a direção do (potencial) deslizamento entre o pneu e a estrada.
Força normal
A força normal é definida como a força resultante que comprime duas superfícies paralelas e sua direção é perpendicular às superfícies. No caso simples de uma massa repousando sobre uma superfície horizontal, o único componente da força normal é a força devido à gravidade, onde. Nesse caso, a magnitude da força de atrito é o produto da massa do objeto, a aceleração da gravidade e o coeficiente de atrito. No entanto, o coeficiente de atrito não é função da massa ou do volume; depende apenas do material. Por exemplo, um grande bloco de alumínio tem o mesmo coeficiente de fricção de um pequeno bloco de alumínio. No entanto, a magnitude da força de atrito em si depende da força normal e, portanto, da massa do bloco.
Se um objeto está em uma superfície nivelada e a força que tende a fazê-lo deslizar é horizontal, a força normalentre o objeto e a superfície está apenas o seu peso, que é igual à sua massa multiplicada pela aceleração devida à gravidade da Terra, g . Se o objeto estiver em uma superfície inclinada , como um plano inclinado, a força normal é menor, porque menos da força da gravidade é perpendicular à face do plano. Portanto, a força normal e, em última análise, a força de atrito, é determinada usando a análise vetorial , geralmente por meio de um diagrama de corpo livre . Dependendo da situação, o cálculo da força normal pode incluir outras forças além da gravidade.
Coeficiente de fricção
O coeficiente de atrito (COF), frequentemente simbolizado pela letra grega µ , é um valor escalar adimensional que descreve a razão da força de atrito entre dois corpos e a força que os pressiona um contra o outro. O coeficiente de atrito depende dos materiais usados; por exemplo, o gelo no aço tem um baixo coeficiente de atrito, enquanto a borracha no pavimento tem um alto coeficiente de atrito. Os coeficientes de atrito variam de quase zero a mais de um. É um axioma da natureza do atrito entre as superfícies de metal que é maior entre duas superfícies de metais semelhantes do que entre duas superfícies de metais diferentes - portanto, o latão terá um coeficiente de atrito maior quando movido contra o latão, mas menos se movido contra aço ou alumínio. [23]
Para superfícies em repouso em relação umas às outras , Onde é o coeficiente de atrito estático . Geralmente é maior do que sua contraparte cinética. O coeficiente de atrito estático exibido por um par de superfícies de contato depende dos efeitos combinados das características de deformação do material e da rugosidade da superfície , ambos os quais têm suas origens na ligação química entre os átomos em cada um dos materiais a granel e entre as superfícies do material e qualquer material adsorvido . A fractalidade das superfícies, um parâmetro que descreve o comportamento de dimensionamento das asperezas da superfície, é conhecida por desempenhar um papel importante na determinação da magnitude do atrito estático. [1]
Para superfícies em movimento relativo , Onde é o coeficiente de atrito cinético . O atrito de Coulomb é igual a, e a força de atrito em cada superfície é exercida na direção oposta ao seu movimento em relação à outra superfície.
Arthur Morin introduziu o termo e demonstrou a utilidade do coeficiente de atrito. [12] O coeficiente de atrito é uma medida empírica - deve ser medido experimentalmente e não pode ser encontrado por meio de cálculos. [24] Superfícies mais rugosas tendem a ter valores eficazes mais altos. Os coeficientes de atrito estáticos e cinéticos dependem do par de superfícies em contato; para um dado par de superfícies, o coeficiente de atrito estático é geralmente maior do que o de atrito cinético; em alguns conjuntos, os dois coeficientes são iguais, como teflon-sobre-teflon.
A maioria dos materiais secos em combinação tem valores de coeficiente de atrito entre 0,3 e 0,6. Valores fora desse intervalo são mais raros, mas o teflon , por exemplo, pode ter um coeficiente tão baixo quanto 0,04. Um valor zero significaria nenhum atrito, uma propriedade indescritível. A borracha em contato com outras superfícies pode produzir coeficientes de atrito de 1 a 2. Ocasionalmente, afirma-se que μ é sempre <1, mas isso não é verdade. Enquanto na maioria das aplicações relevantes μ <1, um valor acima de 1 apenas implica que a força necessária para deslizar um objeto ao longo da superfície é maior do que a força normal da superfície no objeto. Por exemplo, as superfícies revestidas com borracha de silicone ou acrílico têm um coeficiente de atrito que pode ser substancialmente maior do que 1.
Embora seja freqüentemente declarado que o COF é uma "propriedade material", é melhor categorizado como uma "propriedade do sistema". Ao contrário das verdadeiras propriedades do material (como condutividade, constante dielétrica, limite de elasticidade), o COF para quaisquer dois materiais depende de variáveis do sistema como temperatura , velocidade , atmosfera e também o que agora é popularmente descrito como tempos de envelhecimento e desgasificação; bem como nas propriedades geométricas da interface entre os materiais, nomeadamente a estrutura da superfície . [1] Por exemplo, um pino de cobre deslizando contra uma placa de cobre espessa pode ter um COF que varia de 0,6 em baixas velocidades (metal deslizando contra metal) a menos de 0,2 em altas velocidades quando a superfície de cobre começa a derreter devido ao aquecimento por atrito. A última velocidade, é claro, não determina o COF exclusivamente; se o diâmetro do pino for aumentado de forma que o aquecimento por atrito seja removido rapidamente, a temperatura cai, o pino permanece sólido e o COF sobe para um teste de 'baixa velocidade'. [ citação necessária ]
Coeficientes de atrito aproximados
| 0,61 [25] | 0,47 [25] | ||
| 1,05-1,35 [25] | 0,3 [25] | 1,4 [25] -1,5 [26] | |
| 2,5 [26] | |||
| 1,2 [25] | 0,25 [25] | 3,0 [26] | |
| 1,4 [25] | 0,55 [25] | 1,5 [26] | |
| 0,004 (molhado) [27] | |||
| 0,04–0,05 [28] | 0,02 [29] [30] | ||
| 0,35–0,51 [25] | 0,19 [25] | 0,44 [25] | |
| 1,05 [25] | 0,29 [25] | ||
| 0,85 [25] | 0,21 [25] | ||
| 1.0 | 0,30 (molhado) | 0,6-0,85 [25] | 0,45-0,75 (molhado) [25] |
| 0,62 [25] [31] | |||
| 0,68 [32] | 0,53 [32] | ||
| 0,53 [32] | 0,36 [25] [32] | 0,18 [32] | |
| 0,9-1,0 [25] [32] | 0,005–0,01 [32] | 0,4 [25] [32] | 0,09–0,116 [32] |
| 0,01 [33] | 0,003 [33] | ||
| 0,02–0,09 [34] | |||
| 0,2 [25] [34] | 0,2 [25] [34] | ||
| 0,04 [25] [34] | 0,04 [25] [34] | 0,04 [25] | |
| 0,03 [34] | |||
| 0,04 [25] −0,2 [34] | 0,04 [25] | 0,04 [25] | |
| 0,74 [25] −0,80 [34] | 0,005-0,23 [32] [34] | 0,42-0,62 [25] [32] | 0,029–0,19 [32] |
| 0,2–0,6 [25] [31] | 0,2 (molhado) [25] [31] | 0,49 [32] | 0,075 [32] |
| 0,25-0,62 [25] [31] [32] | 0,2 (molhado) [25] [31] | 0,32-0,48 [32] | 0,067–0,167 [32] |
Sob certas condições, alguns materiais têm coeficientes de atrito muito baixos. Um exemplo é a grafite (pirolítica altamente ordenada), que pode ter um coeficiente de atrito abaixo de 0,01. [35] Este regime de atrito ultrabaixo é chamado de superlubricidade .
Fricção estática
O atrito estático é o atrito entre dois ou mais objetos sólidos que não se movem uns em relação aos outros. Por exemplo, o atrito estático pode impedir que um objeto deslize para baixo em uma superfície inclinada. O coeficiente de atrito estático, normalmente denotado como μ s , é geralmente maior do que o coeficiente de atrito cinético. Considera-se que o atrito estático surge como resultado de características de rugosidade da superfície em várias escalas de comprimento em superfícies sólidas. Esses recursos, conhecidos como asperezas, estão presentes em dimensões de escala nanométrica e resultam em contato verdadeiro de sólido para sólido, existindo apenas em um número limitado de pontos, representando apenas uma fração da área de contato aparente ou nominal. [36] A linearidade entre a carga aplicada e a área de contato real, decorrente da deformação de aspereza, dá origem à linearidade entre a força de atrito estático e a força normal, encontrada para o atrito típico do tipo Amonton-Coulomb. [37]
A força de atrito estático deve ser superada por uma força aplicada antes que um objeto possa se mover. A força de atrito máxima possível entre duas superfícies antes do início do deslizamento é o produto do coeficiente de atrito estático e a força normal:. Quando não há deslizamento ocorrendo, a força de atrito pode ter qualquer valor de zero até. Qualquer força menor quea tentativa de deslizar uma superfície sobre a outra é oposta por uma força de atrito de igual magnitude e direção oposta. Qualquer força maior quesupera a força de atrito estático e faz com que o deslizamento ocorra. No instante em que ocorre o deslizamento, o atrito estático não é mais aplicável - o atrito entre as duas superfícies é então chamado de atrito cinético. No entanto, um atrito estático aparente pode ser observado mesmo no caso em que o atrito estático verdadeiro é zero. [38]
Um exemplo de atrito estático é a força que impede a roda de um carro de escorregar ao rolar no solo. Mesmo que a roda esteja em movimento, o pedaço do pneu em contato com o solo é estacionário em relação ao solo, portanto, é estático ao invés de atrito cinético.
O valor máximo de atrito estático, quando o movimento é iminente, é algumas vezes referido como atrito limitante , [39] embora este termo não seja usado universalmente. [3]
Atrito cinético
O atrito cinético , também conhecido como atrito dinâmico ou atrito deslizante , ocorre quando dois objetos se movem um em relação ao outro e se esfregam (como um trenó no chão). O coeficiente de atrito cinético é normalmente denotado como μ k e geralmente é menor que o coeficiente de atrito estático para os mesmos materiais. [40] [41] No entanto, Richard Feynman comenta que "com metais secos é muito difícil mostrar qualquer diferença." [42] A força de atrito entre duas superfícies após o início do deslizamento é o produto do coeficiente de atrito cinético e a força normal:. Este é responsável pelo amortecimento de Coulomb de um sistema oscilante ou vibratório .
Novos modelos estão começando a mostrar como o atrito cinético pode ser maior do que o atrito estático. atrito cinético é agora entendido, em muitos casos, como sendo causado principalmente por ligações químicas entre as superfícies, ao invés de asperezas entrelaçadas; [44] no entanto, em muitos outros casos, os efeitos da rugosidade são dominantes, por exemplo, no atrito da borracha com a estrada. A rugosidade da superfície e a área de contato afetam o atrito cinético para objetos em escala micro e nano, onde as forças da área de superfície dominam as forças inerciais. [45]
A origem do atrito cinético em nanoescala pode ser explicada pela termodinâmica. [46] Ao deslizar, uma nova superfície se forma na parte de trás de um contato real deslizante, e a superfície existente desaparece na frente dele. Uma vez que todas as superfícies envolvem a energia termodinâmica da superfície, o trabalho deve ser gasto na criação da nova superfície, e a energia é liberada como calor na remoção da superfície. Assim, é necessária uma força para mover a parte posterior do contato e o calor de atrito é liberado na parte frontal.
Ângulo de atrito
Para certas aplicações, é mais útil definir o atrito estático em termos do ângulo máximo antes do qual um dos itens começará a deslizar. Isso é chamado de ângulo de atrito ou ângulo de atrito . É definido como:
onde θ é o ângulo da horizontal e μ s é o coeficiente estático de atrito entre os objetos. [47] Esta fórmula pode também ser usada para calcular μ s a partir de medições empíricas do ângulo de atrito.
Atrito no nível atômico
Determinar as forças necessárias para mover os átomos uns contra os outros é um desafio no projeto de nanomáquinas . Em 2008, os cientistas, pela primeira vez, conseguiram mover um único átomo em uma superfície e medir as forças necessárias. Usando ultra-alto vácuo e temperatura quase zero (5 K), um microscópio de força atômica modificado foi usado para arrastar um átomo de cobalto e uma molécula de monóxido de carbono através de superfícies de cobre e platina . [48]
Limitações do modelo Coulomb
A aproximação de Coulomb segue das suposições de que: as superfícies estão em contato atomicamente próximo apenas sobre uma pequena fração de sua área total; que essa área de contato é proporcional à força normal (até a saturação, que ocorre quando toda a área está em contato atômico); e que a força de atrito é proporcional à força normal aplicada, independentemente da área de contato. A aproximação de Coulomb é fundamentalmente uma construção empírica. É uma regra prática que descreve o resultado aproximado de uma interação física extremamente complicada. A força da aproximação é sua simplicidade e versatilidade. Embora a relação entre a força normal e a força de atrito não seja exatamente linear (e, portanto, a força de atrito não é totalmente independente da área de contato das superfícies), a aproximação de Coulomb é uma representação adequada de atrito para a análise de muitos sistemas físicos.
Quando as superfícies são conjuntas, o atrito de Coulomb se torna uma aproximação muito pobre (por exemplo, a fita adesiva resiste ao deslizamento mesmo quando não há força normal ou uma força normal negativa). Nesse caso, a força de atrito pode depender fortemente da área de contato. Alguns pneus de corrida de arrancada são adesivos por esse motivo. No entanto, apesar da complexidade da física fundamental por trás do atrito, as relações são precisas o suficiente para serem úteis em muitas aplicações.
Coeficiente de atrito "negativo"
A partir de 2012, um único estudo demonstrou o potencial para um coeficiente de atrito efetivamente negativo no regime de baixa carga , o que significa que uma diminuição na força normal leva a um aumento no atrito. Isso contradiz a experiência cotidiana, na qual um aumento na força normal leva a um aumento no atrito. [49] Isso foi relatado na revista Nature em outubro de 2012 e envolveu o atrito encontrado por um estilete de microscópio de força atômica quando arrastado por uma folha de grafeno na presença de oxigênio adsorvido por grafeno. [49]
Simulação numérica do modelo de Coulomb
Apesar de ser um modelo simplificado de atrito, o modelo de Coulomb é útil em muitas aplicações de simulação numérica , como sistemas multicorpos e materiais granulares . Mesmo sua expressão mais simples encapsula os efeitos fundamentais de aderência e deslizamento que são necessários em muitos casos aplicados, embora algoritmos específicos devam ser projetados para integrar numericamente sistemas mecânicos com fricção de Coulomb e contato bilateral ou unilateral. [50] [51] [52] [53] [54] Alguns efeitos bastante não lineares , como os chamados paradoxos de Painlevé , podem ser encontrados com o atrito de Coulomb. [55]
Atrito seco e instabilidades
O atrito seco pode induzir vários tipos de instabilidades em sistemas mecânicos que apresentam um comportamento estável na ausência de atrito. [56] Essas instabilidades podem ser causadas pela diminuição da força de atrito com um aumento da velocidade de deslizamento, pela expansão do material devido à geração de calor durante o atrito (as instabilidades termoelásticas), ou por efeitos puros dinâmicos de deslizamento de dois materiais elásticos (as instabilidades de Adams-Martins). Estes últimos foram originalmente descobertos em 1995 por George G. Adams e João Arménio Correia Martins para superfícies lisas [57] [58] e foram posteriormente encontrados em superfícies rugosas periódicas. [59] Em particular, as instabilidades dinâmicas relacionadas ao atrito são consideradas responsáveis pelo guincho do freio e a "música" de uma harpa de vidro , [60] [61] fenômenos que envolvem deslizar e deslizar, modelados como uma queda do coeficiente de atrito com velocidade. [62]
Um caso praticamente importante é a auto-oscilação das cordas de instrumentos de arco como violino , violoncelo , hurdy-gurdy , erhu , etc.
Uma conexão entre o atrito seco e a instabilidade de vibração em um sistema mecânico simples foi descoberta, [63] assista ao filme para mais detalhes.
As instabilidades de atrito podem levar à formação de novos padrões auto-organizados (ou "estruturas secundárias") na interface deslizante, como tribofilmes formados in-situ que são utilizados para a redução de atrito e desgaste nos chamados materiais autolubrificantes . [64]
Fricção de fluido
O atrito de fluido ocorre entre as camadas de fluido que se movem umas em relação às outras. Essa resistência interna ao fluxo é chamada de viscosidade . Em termos cotidianos, a viscosidade de um fluido é descrita como sua "espessura". Assim, a água é "rala", possuindo uma viscosidade menor, enquanto o mel é "espesso", possuindo uma viscosidade maior. Quanto menos viscoso for o fluido, maior será sua facilidade de deformação ou movimento.
Todos os fluidos reais (exceto os superfluidos ) oferecem alguma resistência ao cisalhamento e, portanto, são viscosos. Para fins de ensino e explicativos, é útil usar o conceito de um fluido invíscido ou um fluido ideal que não oferece resistência ao cisalhamento e, portanto, não é viscoso.
Fricção lubrificada
O atrito lubrificado é um caso de atrito de fluido em que um fluido separa duas superfícies sólidas. Lubrificação é uma técnica empregada para reduzir o desgaste de uma ou ambas as superfícies próximas movendo-se uma em relação à outra, interpondo uma substância chamada lubrificante entre as superfícies.
Na maioria dos casos, a carga aplicada é transportada pela pressão gerada dentro do fluido devido à resistência viscosa de atrito ao movimento do fluido lubrificante entre as superfícies. A lubrificação adequada permite a operação contínua e suave do equipamento, com desgaste moderado e sem tensões excessivas ou travamentos nos rolamentos. Quando a lubrificação é interrompida, o metal ou outros componentes podem esfregar destrutivamente um sobre o outro, causando calor e, possivelmente, danos ou falha.
Fricção da pele
A fricção cutânea surge da interação entre o fluido e a pele do corpo e está diretamente relacionada à área da superfície do corpo que está em contato com o fluido. O atrito da pele segue a equação de arrasto e aumenta com o quadrado da velocidade.
O atrito da pele é causado pelo arrasto viscoso na camada limite ao redor do objeto. Existem duas maneiras de diminuir a fricção da pele: a primeira é moldar o corpo em movimento de modo que um fluxo suave seja possível, como um aerofólio. O segundo método é diminuir o comprimento e a seção transversal do objeto em movimento tanto quanto possível.
Fricção interna
O atrito interno é a força que resiste ao movimento entre os elementos que constituem um material sólido enquanto ele sofre deformação .
A deformação plástica em sólidos é uma mudança irreversível na estrutura molecular interna de um objeto. Esta mudança pode ser devido a uma (ou ambas) uma força aplicada ou uma mudança na temperatura. A mudança na forma de um objeto é chamada de tensão. A força que causa isso é chamada de estresse .
A deformação elástica em sólidos é uma mudança reversível na estrutura molecular interna de um objeto. O estresse não causa necessariamente uma mudança permanente. Conforme a deformação ocorre, as forças internas se opõem à força aplicada. Se a tensão aplicada não for muito grande, essas forças opostas podem resistir completamente à força aplicada, permitindo que o objeto assuma um novo estado de equilíbrio e volte à sua forma original quando a força for removida. Isso é conhecido como deformação elástica ou elasticidade.
Fricção de radiação
Como consequência da leve pressão, Einstein [65] em 1909 previu a existência de "fricção de radiação" que se oporia ao movimento da matéria. Ele escreveu: “a radiação exercerá pressão em ambos os lados da placa. As forças de pressão exercidas nos dois lados são iguais se a placa estiver em repouso. No entanto, se estiver em movimento, mais radiação será refletida na superfície que está à frente durante o movimento (superfície frontal) do que na superfície posterior. A força de pressão de ação para trás exercida na superfície frontal é, portanto, maior do que a força de pressão que atua nas costas. Portanto, como a resultante das duas forças, permanece uma força que se contrapõe ao movimento da placa e que aumenta com a velocidade da placa. Vamos chamar isso de 'fricção de radiação' resultante em breve. ”
Outros tipos de atrito
Resistência ao rolamento
A resistência ao rolamento é a força que resiste ao rolamento de uma roda ou outro objeto circular ao longo de uma superfície causada por deformações no objeto ou superfície. Geralmente, a força de resistência ao rolamento é menor do que a associada ao atrito cinético. [66] Os valores típicos para o coeficiente de resistência ao rolamento são 0,001. [67] Um dos exemplos mais comuns de resistência ao rolamento é o movimento de pneus de veículos motorizados em uma estrada , um processo que gera calor e som como subprodutos. [68]
Fricção de frenagem
Qualquer roda equipada com freio é capaz de gerar uma grande força de retardo, geralmente com o objetivo de desacelerar e parar um veículo ou peça de máquina em rotação. O atrito de frenagem difere do atrito de rolamento porque o coeficiente de atrito para o atrito de rolamento é pequeno, enquanto o coeficiente de atrito para o atrito de frenagem é projetado para ser grande pela escolha de materiais para pastilhas de freio .
Efeito triboelétrico
Esfregar materiais diferentes uns contra os outros pode causar um acúmulo de carga eletrostática , que pode ser perigosa se gases ou vapores inflamáveis estiverem presentes. Quando o acúmulo de estática se descarrega, explosões podem ser causadas pela ignição da mistura inflamável.
Atrito da correia
O atrito da correia é uma propriedade física observada a partir das forças que atuam em uma correia enrolada em uma polia, quando uma extremidade está sendo puxada. A tensão resultante, que atua nas duas extremidades da correia, pode ser modelada pela equação de atrito da correia.
Na prática, a tensão teórica atuando na correia ou cabo calculada pela equação de atrito da correia pode ser comparada à tensão máxima que a correia pode suportar. Isso ajuda o projetista de tal equipamento a saber quantas vezes a correia ou corda deve ser enrolada na polia para evitar que escorregue. Alpinistas e tripulações de vela demonstram um conhecimento padrão da fricção da correia ao realizar tarefas básicas.
Reduzindo o atrito
Dispositivos
Dispositivos como rodas, rolamentos de esferas , rolamentos de rolos e almofada de ar ou outros tipos de rolamentos de fluido podem transformar o atrito de deslizamento em um tipo muito menor de atrito de rolamento.
Muitos materiais termoplásticos como náilon , HDPE e PTFE são comumente usados em rolamentos de baixa fricção . Eles são especialmente úteis porque o coeficiente de fricção diminui com o aumento da carga imposta. [69] Para maior resistência ao desgaste, classes de peso molecular muito alto são geralmente especificadas para rolamentos pesados ou críticos.
Lubrificantes
Uma maneira comum de reduzir o atrito é usando um lubrificante , como óleo, água ou graxa, que é colocado entre as duas superfícies, muitas vezes reduzindo drasticamente o coeficiente de atrito. A ciência do atrito e da lubrificação é chamada tribologia . A tecnologia de lubrificantes é quando os lubrificantes são misturados com a aplicação da ciência, especialmente para fins industriais ou comerciais.
A superlubricidade, um efeito recentemente descoberto, tem sido observada no grafite : é a diminuição substancial do atrito entre dois objetos deslizantes, aproximando-se do nível zero. Uma quantidade muito pequena de energia de atrito ainda seria dissipada.
Os lubrificantes para superar o atrito nem sempre precisam ser finos, fluidos turbulentos ou sólidos em pó, como grafite e talco ; a lubrificação acústica, na verdade, usa o som como lubrificante.
Outra forma de reduzir o atrito entre duas peças é sobrepor a vibração em microescala a uma das peças. Pode ser vibração sinusoidal, conforme usado em corte assistido por ultrassom ou ruído de vibração, conhecido como dither .
Energia de fricção
De acordo com a lei de conservação de energia , nenhuma energia é destruída devido ao atrito, embora possa ser perdida para o sistema de interesse. A energia é transformada de outras formas em energia térmica. Um disco de hóquei deslizante pára porque o atrito converte sua energia cinética em calor, que aumenta a energia térmica do disco e da superfície do gelo. Como o calor se dissipa rapidamente, muitos dos primeiros filósofos, incluindo Aristóteles , concluíram erroneamente que os objetos em movimento perdem energia sem uma força motriz.
Quando um objeto é empurrado ao longo de uma superfície ao longo de um caminho C, a energia convertida em calor é dada por uma integral de linha , de acordo com a definição de trabalho
Onde
é a força de atrito, é o vetor obtido pela multiplicação da magnitude da força normal por um vetor unitário apontando contra o movimento do objeto, é o coeficiente de atrito cinético, que está dentro da integral porque pode variar de local para local (por exemplo, se o material muda ao longo do caminho), é a posição do objeto.A energia perdida para um sistema como resultado do atrito é um exemplo clássico de irreversibilidade termodinâmica .
Trabalho de fricção
No quadro de referência da interface entre as duas superfícies, a fricção estática faz nenhum trabalho , porque nunca há deslocamento entre as superfícies. No mesmo referencial, o atrito cinético está sempre na direção oposta ao movimento e faz um trabalho negativo . [70] No entanto, o atrito pode fazer um trabalho positivo em certos quadros de referência . Pode-se ver isso colocando uma caixa pesada em um tapete e puxando o tapete rapidamente. Nesse caso, a caixa desliza para trás em relação ao tapete, mas avança em relação ao quadro de referência em que o piso está estacionário. Assim, o atrito cinético entre a caixa e o tapete acelera a caixa na mesma direção em que ela se move, fazendo um trabalho positivo . [71]
O trabalho feito por atrito pode se traduzir em deformação, desgaste e calor que podem afetar as propriedades da superfície de contato (até mesmo o coeficiente de atrito entre as superfícies). Isso pode ser benéfico como no polimento . O trabalho de fricção é usado para misturar e unir materiais, como no processo de soldagem por fricção . Erosão excessiva ou desgaste de superfícies deslizantes coincidentes ocorre quando o trabalho devido a forças de atrito sobe a níveis inaceitáveis. Mais duras partículas de corrosão capturadas entre as superfícies de acoplamento em movimento relativo ( fretting ) exacerba desgaste das forças de atrito. Como as superfícies são desgastadas pelo trabalho devido ao atrito, o ajuste e o acabamento da superfície de um objeto podem degradar até que ele não funcione mais adequadamente. [72] Por exemplo, o travamento ou falha do rolamento pode resultar de desgaste excessivo devido ao trabalho de fricção.
Formulários
O atrito é um fator importante em muitas disciplinas de engenharia .
Transporte
- Os freios de automóveis dependem inerentemente do atrito, reduzindo a velocidade de um veículo ao converter sua energia cinética em calor. A propósito, dispersar essa grande quantidade de calor com segurança é um desafio técnico no projeto de sistemas de freio. Os freios a disco dependem do atrito entre um disco e as pastilhas de freio que são pressionadas transversalmente contra o disco giratório. Nos freios a tambor , as sapatas ou pastilhas de freio são pressionadas para fora contra um cilindro giratório (tambor de freio) para criar atrito. Como os discos de freio podem ser resfriados com mais eficiência do que os tambores, os freios a disco têm melhor desempenho de frenagem. [73]
- A adesão do trilho refere-se às rodas de aperto de um trem nos trilhos, consulte Mecânica do contato de fricção .
- O deslizamento da estrada é um importante fator de design e segurança para automóveis [74]
- A fricção dividida é uma condição particularmente perigosa que surge devido à variação da fricção em ambos os lados de um carro.
- A textura da estrada afeta a interação dos pneus e a superfície de direção.
Medição
- Um tribômetro é um instrumento que mede o atrito em uma superfície.
- Um perfilógrafo é um dispositivo usado para medir a rugosidade da superfície do pavimento.
Uso doméstico
- O atrito é usado para aquecer e acender palitos de fósforo (atrito entre a cabeça de um palito de fósforo e a superfície de atrito da caixa de fósforo). [75]
- As almofadas adesivas são usadas para evitar que o objeto escorregue de superfícies lisas, aumentando efetivamente o coeficiente de atrito entre a superfície e o objeto.
Veja também
- Dinâmica de contato
- Mecânicos de contato
- Fator de adesão
- Avião sem fricção
- Galling
- Mecânica não suave
- Rigidez de contato normal
- Fenômeno stick-slip
- Carga de atrito transiente
- Efeito triboelétrico
- Contato unilateral
- Torque de fricção
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