Attrito e coefficiente di attrito: determinazione dei valori di attrito dei materiali

Il coefficiente di attrito è una variabile fisica derivata dal campo della tribologia per l’attrito tra due oggetti. Il coefficiente di attrito imposta la forza che si verifica durante l’attrito (forza di attrito) rispetto alla forza con cui gli oggetti vengono premuti insieme (forza di pressione). Il coefficiente di attrito è pertanto un parametro importante quando si esaminano l’usura del materiale e le proprietà di scorrimento. Questo articolo spiega le basi del coefficiente di attrito, i suoi metodi di misurazione e le sue applicazioni nella tecnologia.

Cos’è l’attrito a secco?

L’attrito generale è la resistenza tra due superfici solide e ritarda il movimento relativo nella direzione opposta.

L’attrito a secco è un tipo speciale di attrito quando non c’è un lubrificante o un liquido tra le superfici. L’attrito a secco dipende in gran parte dalla rugosità delle superfici di contatto.

Quando sono coinvolti liquidi o lubrificanti, questo viene chiamato attrito fluido o liquido. Con altri fluidi (per esempio aria o acqua), tuttavia, viene indicato come attrito dell’aria o attrito del flusso.

L’attrito può essere osservato in molte applicazioni e situazioni industriali, come la rotazione di una vite in una filettatura interna. Oppure quando i dadi filettati si muovono lungo una trasmissione a vite (ad es. nella stampa 3D). Di solito l’obiettivo è ridurre al minimo l’attrito e quindi aumentare la resistenza all’usura del sistema.

Tipi di attrito a secco

L’attrito a secco può essere suddiviso in due categorie:

• Attrito statico: l’attrito statico si verifica quando le due superfici sono a contatto, ma non sono ancora state spostate l’una contro l’altra.
• Attrito dinamico: l’attrito dinamico si verifica quando una forza esterna è sufficientemente grande da avviare il movimento tra due superfici.

Queste due categorie di attrito a secco mostrano un comportamento diverso.

Attrito statico

L’attrito statico (noto anche come attrito adesivo) si verifica quando la forza applicata non è abbastanza grande da avviare il movimento e l’oggetto rimane statico o in equilibrio.

Calcolo della forza di attrito statico

Il coefficiente di attrito statico (μ_s) descrive il rapporto tra la forza normale (F_N) e la forza di reazione risultante o l’attrito adesivo (F_H) prima che inizi il movimento, vale a dire in posizione di riposo:

Quanto segue si applica alla forza normale nel piano inclinato con un angolo di attrito:

Quanto segue si applica alla forza normale sul piano senza angolo di attrito:

Il coefficiente di attrito è sempre senza unità ed è determinato sperimentalmente. Nella maggior parte dei casi sono già stati determinati i coefficienti di attrito di diversi abbinamenti di materiali (ad es. acciaio su acciaio) che si possono trovare nella letteratura specialistica pertinente - vedere anche “Materiali e tabella con coefficienti di attrito”.

Attrito dinamico

L’attrito dinamico (noto anche come attrito cinetico) si verifica quando la forza applicata è sufficientemente grande da mettere in movimento l’oggetto.

Calcolo della forza di attrito dinamico

Il coefficiente di attrito dinamico (μ_d) descrive il rapporto tra la forza di attrito (F_R) e la forza normale (F_N) durante il movimento tra le superfici:

Quanto segue si applica alla forza normale nel piano inclinato con un angolo di attrito:

Quanto segue si applica alla forza normale sul piano senza angolo di attrito:

Il coefficiente di attrito è sempre senza unità ed è determinato sperimentalmente. Nella maggior parte dei casi sono già stati determinati i coefficienti di attrito di diversi abbinamenti di materiali (ad es. acciaio su acciaio) che si possono trovare nella letteratura specialistica pertinente - vedere anche “Materiali e tabella con coefficienti di attrito”.

Determinare sperimentalmente i coefficienti di attrito e i valori di attrito

I coefficienti di attrito per l’attrito statico e l’attrito dinamico devono essere determinati sperimentalmente in quanto dipendono da vari fattori, come la consistenza e la rugosità della superficie, la velocità di movimento e le condizioni ambientali.

La determinazione sperimentale dei coefficienti di attrito e dei valori di attrito richiede l’esecuzione precisa dei test di attrito in condizioni controllate.

• Progettare una configurazione di test adeguata che consenta a due campioni di materiale o superfici di sfregarsi l’uno contro l’altro. La configurazione deve consentire l’applicazione di una forza o di un peso esterno per avviare il movimento di attrito e di controllo.
• Selezionare i materiali per i quali si desidera determinare il coefficiente di attrito e assicurarsi che le superfici siano pulite e prive di contaminazioni. Le superfici devono fornire una descrizione rappresentativa delle condizioni di applicazione effettive.
• Preparare attentamente le superfici dei campioni di materiale per ridurre al minimo le irregolarità dovute alla contaminazione. Superfici pulite contribuiscono a risultati riproducibili.
• Controllare le condizioni ambientali e mantenerle costanti in ogni test condotto. Eseguire i test in un ambiente controllabile dove possano mantenere il maggior numero possibile di fattori ambientali costanti. Ciò influisce principalmente sulla pressione dell’aria (Δp costante), sulla temperatura (ΔT costante) e sull’umidità.
• Eseguire i test di attrito. Misurare le forze applicate e le forze di reazione risultanti o le forze di attrito durante il movimento o quando si tenta di avviare il movimento.
• Ripetere più volte i test di attrito per ottenere dei dati significativi.
• Calcolare i coefficienti di attrito (μ_s e μ_d) in base ai dati misurati. Utilizzare le formule appropriate per calcolare i coefficienti di attrito o per determinare i valori di attrito per la combinazione di materiali selezionata. Annotare anche le condizioni ambientali.

Durante il test misurare le forze seguenti:

• Misurare la forza di attrito statico sul misuratore di forza della molla poco prima che l’oggetto venga messo in movimento.
• Misurare la forza di attrito di scorrimento sul misuratore della forza della molla mentre l’oggetto è in movimento.

Quindi calcolare i coefficienti di attrito:

La precisione e la sensibilità della misurazione sono decisive per ottenere dati accurati. I coefficienti di attrito determinati possono dipendere notevolmente dalle condizioni di applicazione specifiche.

La determinazione sperimentale dei valori di attrito può essere dispendiosa in termini di tempo e costosa. Ciononostante è essenziale migliorare la comprensione delle proprietà di attrito dei materiali e sviluppare applicazioni tecniche efficienti. Per ottenere risultati accurati e affidabili, sono necessarie una pianificazione accurata, un’esecuzione precisa e una valutazione statistica.

Importanza dell’attrito nelle applicazioni industriali

L’attrito gioca un ruolo centrale in una varietà di applicazioni industriali ed è un fenomeno fisico fondamentale che non solo porta vantaggi, ma anche sfide.

In molti sistemi tecnici, come motori, ingranaggi o cuscinetti, è necessario controllare o ridurre al minimo l’attrito per ridurre le perdite di energia e l’usura e migliorare l’efficienza.

• Sistemi di controllo del movimento e di frenatura: L’attrito viene utilizzato nei sistemi di frenatura per controllare e rallentare il movimento delle macchine. Lo sfruttamento mirato delle proprietà di attrito consente un controllo e una sicurezza precisi.
• Attrito adesivo e stabilità: In molte applicazioni, ad esempio la posizione eretta su una superficie inclinata, l’attrito statico è fondamentale per garantire la stabilità e prevenire lo scivolamento.
• Usura del materiale e vita utile: L’attrito può causare usura del materiale, che può ridurre la vita utile dei componenti. È importante comprendere le proprietà di attrito per ridurre al minimo l’usura e massimizzare la vita utile dei componenti.
• Selezione del materiale: La conoscenza delle proprietà di attrito dei materiali è fondamentale quando si selezionano i materiali per applicazioni specifiche. I valori di attrito devono essere presi in considerazione al fine di selezionare combinazioni di materiali ottimali per scopi specifici.
• Lubrificazione: Una lubrificazione efficiente è fondamentale per ridurre l’attrito e l’usura in molti sistemi meccanici e prolungarne la vita utile.

Impatto dell’attrito sull’usura

La maggior parte delle applicazioni industriali ha gli obiettivi seguenti:

• ridurre al minimo l’usura
• massimizzare l’efficienza del sistema
• massimizzare la vita utile del sistema

Attrito, lubrificazione, rugosità e usura formano un sistema dinamico e dipendono uno dall’altro.

Il background scientifico dell’attrito e dell’usura viene esplorato nel campo della tribologia, l’insegnamento dell’attrito, della lubrificazione e dell’usura sui componenti. Tutte le applicazioni industriali, in cui i componenti meccanici lavorano insieme o si incontrano, possono essere considerate un cosiddetto sistema tribologico.

Le interazioni reciproche devono essere prese in considerazione, in particolare nelle applicazioni a lungo termine:

• La temperatura e altre condizioni ambientali possono influire sulle proprietà di attrito. A temperature più elevate i materiali possono ammorbidirsi, con conseguente modifica dell’attrito. D’altra parte, una temperatura elevata può portare anche a deterioramenti del lubrificante o a una maggiore usura.
• L’usura delle superfici di contatto (ad es. l’abrasione) può influenzare le proprietà di attrito nel lungo termine. Se il materiale si usura o si allenta dalle superfici di contatto, ciò può portare a un cambiamento dei fattori di attrito. Una maggiore usura può portare anche a un aumento dell’attrito e al deterioramento delle prestazioni.
• La lubrificazione, sotto forma di liquidi o solidi, svolge un ruolo importante nell’influenzare l’attrito. Una lubrificazione adeguata può ridurre l’attrito e ridurre al minimo l’usura. Tuttavia una scarsa lubrificazione o una mancanza di lubrificazione possono portare a un aumento dell’attrito e dell’usura.

In tutte le applicazioni industriali è importante considerare le interazioni ed eseguire controlli regolari dell’usura.

Misure per aumentare l’attrito

In alcune applicazioni industriali può essere importante aumentare l’attrito dei componenti. Ad esempio, per evitare l’allentamento delle connessioni a vite.

Per aumentare l’attrito, sono in atto le misure seguenti, ad esempio:

• Aumentare la ruvidezza o la rugosità della superficie: La rugosità di una superficie può aumentare l’attrito. Una possibilità di irruvidimento è la cosiddetta sabbiatura (ad es. sabbiatura di spolvero) in cui la superficie viene cambiata direttamente. Un’altra opzione è il trattamento superficiale, in cui un rivestimento viene applicato al materiale di base, per esempio attraverso la galvanizzazione a caldo.
• Utilizzare additivi per attrito: Gli additivi possono essere aggiunti a determinati oli per macchine per aumentare l’attrito.
• Utilizzare adesivi o imbottiture: L’applicazione di adesivi o imbottiture può aumentare l’attrito. Il nastro in teflon o il fluido di bloccaggio della filettatura sono adatti, ad esempio, nei collegamenti a vite. Questi agenti possono anche avere un effetto sigillante.

Materiali e tabella con coefficienti di attrito

Di seguito è riportata una panoramica dei coefficienti di attrito a secco degli accoppiamenti tipici dei materiali.