Tribología

La tribología (del griego antiguo τρίβος , "fricción" y λόγος , "ciencia, estudio") es la ciencia que estudia los fenómenos que ocurren entre dos sistemas de hardware en contacto, movimientos relativos inmóviles o animados. Este término cubre, entre otros, todas las áreas de fricción , desgaste , estudio de interfaces y lubricación .

Es una rama de la ingeniería mecánica y la ciencia de los materiales que tiene aplicaciones concretas en arqueología, dermatología, cosmética, industria, transporte y biomecánica.

Este término también designa la disciplina psicofisiológica que estudia cómo los seres vivos perciben la fricción de la que son el asiento y las vibraciones que resultan de ella.

Historia

A pesar de la designación relativamente reciente del campo de la tribología, los estudios cuantitativos de la fricción se remontan a 1493, cuando Leonardo da Vinci señaló por primera vez las dos "leyes" básicas de la fricción:

la resistencia a la fricción es la misma para dos objetos diferentes del mismo peso, pero con diferentes anchuras y longitudes.
También observó que la fuerza necesaria para superar la fricción se duplica cuando se duplica el peso.

Las dos "leyes" fundamentales de la fricción fueron publicadas por primera vez en 1699 por Guillaume Amontons , con quien ahora están generalmente asociadas:

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

Si bien no son de aplicación universal, estas simples declaraciones se aplican a una gama sorprendentemente amplia de sistemas. Estas leyes fueron desarrolladas por Charles-Augustin de Coulomb en 1785, quien notó que la fuerza de fricción estática puede depender del tiempo de contacto y que la fricción (cinética) puede depender de la velocidad de deslizamiento, la fuerza normal y la superficie de contacto.

En 1798, Charles Hatchett y Henry Cavendish realizaron la primera prueba confiable de desgaste por fricción. En un estudio encargado por el Privy Council del Reino Unido , utilizaron un dispositivo alternativo simple para evaluar la tasa de desgaste de las monedas de oro. En 1953, John Frederick Archard (in) desarrolló la ecuación de Archard (in) que describe el desgaste por deslizamiento y se basa en la teoría de la aspereza de contacto.

Otros pioneros de la investigación tribológica son el físico australiano Frank Philip Bowden (en) y el físico británico David Tabor (en) , ambos miembros del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge . Juntos escribieron el manual fundamental Fricción y lubricación de sólidos (la primera parte se publicó en 1950 y la segunda en 1964).

Otro líder de mediados de la década de 1900 fue Michael J. Neale, quien se especializó en resolver problemas de diseño de máquinas aplicando sus conocimientos de tribología. Neale era un educador respetado, bueno integrando el trabajo teórico con su propia experiencia práctica para producir guías de diseño fáciles de entender. El Manual de Tribología , que publicó por primera vez en 1973 y actualizó en 1995, todavía se utiliza en todo el mundo y constituye la base de muchos cursos de formación para diseñadores de ingeniería.

Duncan Dowson (en) de la Universidad de Leeds ha estudiado la historia de la tribología en su libro publicado en 1998, History of Tribology (2ª edición). Se trata de la evolución desde la prehistoria a civilizaciones tempranas ( Mesopotamia , Egipto antiguo ) y pone de relieve los principales acontecimientos hasta el final del XX ° siglo .

En 2016, se llevó a cabo un estudio británico de la parte de los cuadernos de Leonardo da Vinci que se ocupa de la tribología. Ian Hutchings, profesor de la Universidad de Cambridge ha demostrado que Leonardo da Vinci ya había entendido, 206 años antes que William Amontons, las leyes de la fricción ( el attrito ) y las aplicaciones físicas. Descubrió en particular, entre bocetos de esquemas, la siguiente frase: "la fricción duplica el esfuerzo cuando el peso se duplica" .

La página del Codex Forster, que contenía esta frase, entre los garabatos hasta entonces subestimados, había sido analizada en 1920 por un director de museo, que la había considerado "sin importancia" .

Físico

Tipos de desgaste

Hay varios tipos de desgaste en los que está interesada la tribología:

desgaste por adherencia (desgarro de materiales adheridos entre sí);
desgaste por abrasión o erosión , donde las partículas externas, por fricción o impacto, eliminan material de la superficie;
desgaste por fatiga, debido a la acción repetida de tensiones en la superficie, típicamente presiones o choques;
desgaste por tribocorrosión .

Algunos aspectos

Las manifestaciones de fricción están integradas en nuestro comportamiento diario. En un mundo sin fricción ni agarre, nuestras acciones más simples serían en su mayor parte ineficaces: sostener un lápiz, atarse los zapatos, apretar un tornillo, apoyar una escalera en la pared o simplemente caminar. No tendríamos bicicletas, coches, trenes (excepto trenes elevadores), al menos en la forma que conocemos ...

Por el contrario, en general somos conscientes de los inconvenientes de la fricción, una fuente de desgaste o esfuerzos adicionales que se deben realizar para un mismo trabajo y, por lo tanto, el desperdicio de energía y materias primas .

He aquí algunos ejemplos :

Con la misma masa rodante, para superar la fricción, "por tonelada de mercancía en una distancia similar, el transporte por carretera de larga distancia consume cuatro veces más energía que el tren " , dos o tres veces más, según la SNCF .
Se acepta empíricamente que el desgaste de las superficies de las carreteras elásticas varía como la cuarta potencia de la carga por eje . Así, el paso de un camión de 13 toneladas por el eje degradaría la carretera tanto como el paso de 160.000 vehículos ligeros con una carga media por eje de 0,65 toneladas ((13 / 0,65) ⁴ = 160.000). En la práctica, un vehículo de 40 toneladas sobre 5 ejes degrada, por tanto, la superficie de la carretera hasta 100.000 vehículos ligeros; un vehículo que pesa 44 toneladas en 5 ejes hasta aproximadamente 145.000 vehículos ligeros (un aumento del 10% en el tonelaje por eje corresponde a un aumento del 46% en el desgaste: 1,1⁴ = 1,46). El cálculo de las superficies de las carreteras tiene en cuenta casi solo los vehículos pesados, y los automóviles intervienen muy poco o nada. En Canadá , consciente de este hecho, el gobierno cambió recientemente la distribución de los ingresos por impuestos a los combustibles al considerar que "el diesel es utilizado principalmente por vehículos pesados responsables de la mayor parte del desgaste de las carreteras". Cabe señalar que el desgaste de las superficies rígidas de las carreteras varía en un factor mayor (del orden de 12).
Los componentes de máquinas y equipos se destruyen con mucha más frecuencia por daños en su superficie que por dislocación de su volumen. Por un lado, esto es una suerte, porque la rotura de una pieza puede provocar accidentes graves, mientras que la lenta degradación provocada por el desgaste deja tiempo para intervenir. Controlar el desgaste es un arma económica formidable: en un objeto técnico, todos los componentes no se desgastan al mismo ritmo y es importante evitar "sobrecalidades" (componentes en perfecto estado mientras que el resto está muy desgastado, incluso para reemplazar ).

La inconmensurabilidad se refiere a la no coincidencia de casi todos los sitios atómicos de dos redes cristalinas que se frotan entre sí. Por ejemplo, para dos redes cúbicas, esta configuración se obtiene mejor cuando las superficies están desplazadas 45 grados entre sí. Es una condición de posibilidad de suprafricción (in) durante la cual la fricción se vuelve extremadamente débil.

Notas y referencias

El Codex Atlanticus , el Codex Arundel , el Codex Forster (de) , los dos Codex Madrid , los cuadernos del Institut de France y algunos elementos del Codex Windsor
El Codex Forster se conserva en el Victoria and Albert Museum de Londres.
"la confregazione si fa di duplicata fatica in duplicato peso"

Referencias

Jean Denape, Jean-Yves Paris y Philippe Stempflé, Tribología en el transporte , prensas politécnicas PPUR,2006, p. 266.
Definición de tribología , en el sitio fr.wiktionary.org.
(en) Michael J. Neale, " The Tribology Handbook " en tribology.co.uk (consultado el 3 de mayo de 2019 ) .
Jean Frêne, " Tribología desde la antigüedad hasta nuestros días " , en docplayer.fr ,24 de septiembre de 2003(consultado el 3 de mayo de 2019 ) .
(en) Ian Hutchings, " Estudios de fricción de Leonardo da Vinci " [PDF] en ifm.eng.cam.ac.uk ,5 de abril de 2016(consultado el 3 de mayo de 2019 ) .
Johan Bescond, “ VERDADERO / FALSO. Érase una vez un científico llamado Leonardo De Vinci ” , en ouest-france.fr ,2 de mayo de 2019(consultado el 3 de mayo de 2019 ) .
(It) " Gli scarabocchi di Leonardo da Vinci: The scribbles of Leonardo da Vinci " , en focus.it (consultado el 3 de mayo de 2019 ) .
(en) Victoria and Albert Museum, " Cuadernos de Leonardo da Vinci: Cuadernos de Leonardo da Vinci " , en vam.ac.uk (consultado el 4 de mayo de 2019 ) .
tribología ahorra material y energía , en el sitio técnicas-ingenieur.fr.
" Transporte en aumento " , en goodplanet.info ,17 de julio de 2012(consultado el 20 de noviembre de 2013 ) .
Vedura, “ Rail transport ” , en vedura.fr (consultado el 4 de mayo de 2019 ) .
Estudios realizados por la Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte en 1961 y actualizados en 1972 y 1993.
http://wiki.pavementinteractive.org/index.php?title=ESAL#Generalized_Fourth_Power_Law .
Valor máximo autorizado en Francia en el eje, ver artículo R312-5 del código de circulación .
[1] .
En el wikilibro de tribología , consulte en particular los capítulos que tratan sobre la génesis de la fricción y los lubricantes sólidos .

Ver también

Bibliografía

Francois Robbe-Valloire y René Gras , Tribología y diseño mecánico: actas de los Días Internacionales de Tribología Francófona, JIFT 2004, [Saint-Ouen, 13-14 de mayo de 2004] , Lausana / París, PPUR prensas politécnicas,2007, 283 p. ( ISBN 978-2-88074-670-4 , leer en línea )
Jean-Marie Georges , Fricción, desgaste y lubricación: tribología o ciencia de superficies , París, Eyrolles ,2000, 424 p. ( ISBN 2-212-05823-3 ).
Jean-Jacques Milan, Tribología ,
(en) Persson, Bo NJ, Sliding Friction: Physical Principles and Applications , 2da edición. Springer, 2002, ( ISBN 3-540-67192-7 ) . (In diesem Buch werden viele Reibungsinstabilitäten in geschmierten und trockenen Reipaarungen untersucht).
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enlaces externos

Registros de autoridad :
Avisos en diccionarios generales o enciclopedias : Encyclopædia Britannica • Gran Enciclopèdia Catalana
Noël Brunetière, " Introducción a la tribología " [PDF] , en la Universidad de Poitiers ,2016(consultado el 4 de julio de 2016 )