Come funzionano i lubrificanti

di Chris Woodford. Ultimo aggiornamento: 25 maggio 2023.

Quando un'auto sfreccia in curva ad alta velocità, l'unica cosa che le impedisce di sbandare è l'attrito tra i suoi pneumatici e la strada, una forza che può essere molte volte maggiore del suo peso. [1] Qui l'attrito funziona come una specie di colla che attacca l'auto alla strada, ma non è sempre così utile. Sotto il cofano, l'attrito sta consumando le parti del motore: è uno dei modi principali in cui un'auto spreca energia. Ecco perché abbiamo bisogno di lubrificanti: sostanze che combattono l'attrito e consentono alle parti mobili della macchina di scivolare l'una sull'altra in modo più fluido.

Foto: I lubrificanti spuntano in alcuni luoghi insoliti. I rasoi di sicurezza come questo di solito hanno un po' di lubrificante su di essi in modo che si muovano facilmente sopra il tuo faccia. Il lubrificante è la striscia verde in alto. Quando il rasoio si bagna, si trasforma in una crema grassa che lo fa scivolare più dolcemente sulla pelle pelosa che si sta dirigendo verso le lame.

Che cos'è l'attrito?

L'attrito è causato dalle forze tra due cose quando si toccano, come quando si trascina il piede lungo il marciapiede e si sentono le superfici che si sfregano l'una contro l'altra. Non importa quanto le cose appaiano o sembrino lisce: scrutale al microscopio e vedrai che sono sempre più ruvide da vicino. Quando trascini il piede a terra, i pezzi frastagliati sulle due superfici si impigliano l'uno contro l'altro, rallentandoti e rubando la tua energia. Per qualcosa come una macchina con parti mobili che sfregano l'una contro l'altra, l'attrito può essere un vero fastidio: più ruvide sono le superfici di contatto, maggiore è l'attrito, più la macchina deve lavorare, più rapidamente si consuma, più diventa calda e più energia che spreca.

Opera d'arte: L'attrito ha i suoi usi. Senza di esso, camminare sarebbe impossibile: i tuoi piedi non si aggrapperebbero affatto e scivoleresti dappertutto, proprio come fai sul ghiaccio. Quando metti il piede a terra per camminare, la superficie inferiore ruvida della scarpa aderisce alla superficie superiore ruvida del marciapiede, impedendoti di scivolare all'indietro. Questo ti aiuta a spingere indietro con la gamba per muovere tutto il corpo in avanti. La stessa cosa accade quando un pneumatico di gomma per auto tocca la strada: il pneumatico rimane fermo sulla strada mentre la ruota gira sul suo asse e sposta l'auto in avanti.

Leggi dell'attrito

Forse sorprendentemente, l'attrito tra due cose che si toccano dipende solo dal "carico" (quanto forte vengono spinte insieme) e non dall'area di contatto tra di loro. Questo è stato ben compreso per almeno 500 anni – Leonardo da Vinci (1452-1519) fece esperimenti per testarlo – ed è abbastanza facile capire la scienza che c'è dietro. [2] Più si spingono due superfici insieme, più le parti frastagliate tra di loro entrano in contatto, a volte schiacciandosi o rompendosi, aumentando così la resistenza tra le superfici. Inoltre, se questi bit frastagliati sono gli unici punti in cui le superfici si toccano davvero, la vera area di contatto è in realtà molto più piccola di quanto sembri (e non correlata all'area di contatto apparente). Questo ci aiuta anche a capire perché l'attrito può creare una quantità sorprendente di calore, se consideriamo che la forza coinvolta sta lavorando su questa area di contatto relativamente piccola e reale.

Cosa rende il ghiaccio scivoloso?

Foto: Partita di hockey su ghiaccio di Mike Kaplan per gentile concessione dell'US Air Force e DVIDS.

Gli scienziati erano soliti spiegarlo in questo modo: mentre ci si muove sul ghiaccio, lo si comprime e lo si fa sciogliere, creando uno strato liscio e umido che agisce come un lubrificante, aiutando Si scivola sulla superficie altrimenti ruvida. Sfortunatamente, questa spiegazione semplice e attraente è stata ora messa in discussione e una teoria attuale è che il ghiaccio è scivoloso perché ha un rivestimento lubrificante permanente che diventa più spesso o più sottile a seconda della temperatura. Qualunque sia la risposta, una domanda come "Perché il ghiaccio è scivoloso?" può essere spiegata in molti modi diversi, a diversi livelli di complessità, come sottolinea Richard Feynman in questo eccellente video.

L'attrito

si verifica anche a causa di un microscopico effetto di "incollaggio" quando due cose si toccano, un'idea esposta per la prima volta dal fisico francese (e pioniere dell'elettricità) Charles Coulomb intorno al 1781. [3] Quando un geco si arrampica su un muro, milioni di minuscoli peli sulla base delle sue zampe toccano il muro allo stesso tempo. Le molecole sulle punte di ogni capello si attraggono alle molecole sulla superficie esterna del muro con un quantità microscopica di quella che viene chiamata forza di van der Waals, un tipo di elettromagnetismo davvero debole. Sebbene ogni pelo fornisca solo un pizzico di forza magnetica, ci sono così tanti peli sulla zampa del geco che, insieme, possono fornire una forza sufficiente per sostenerne il peso. Per saperne di più, leggete il nostro articolo sugli adesivi.

Quindi l'attrito a volte è utile e a volte fastidioso, e ciò di cui abbiamo veramente bisogno è la giusta quantità di attrito nel posto giusto, al momento giusto. Il controllo dell'attrito è l'essenza della lubrificazione.

Come funziona un lubrificante

Ci sono centinaia di parti mobili che ronzano nel motore e nel cambio della tua auto. A volte può sembrare di guidare un orologio! I pistoni pompano su e giù nei cilindri, l'albero motore gira, gli ingranaggi girano alla massima velocità. Ognuna di queste cose sfrega contro qualcos'altro mentre si muove, facendo rumore, perdendo energia per attrito e consumazione graduale. Il modo per ridurre l'attrito tra due parti mobili è lubrificarle (rivestirle di olio), ma come funziona effettivamente la lubrificazione?

I solidi sono materiali che hanno una resistenza intrinseca al cambiamento di forma, mentre i liquidi possono fluire. Pensa alla differenza tra ghiaccio (che rimane lì in un grumo) e acqua (che scorre facilmente mentre la versi). Se metti un liquido come l'olio tra due ingranaggi solidi, si sposterà e cambierà la sua forma quanto necessario, ammortizzando i microscopici urti tra gli ingranaggi mentre si ingranano insieme e riducendo l'attrito tra di loro.

Questa piccola illustrazione mostra cosa sta succedendo. In alto, si possono vedere due superfici non lubrificate (forse sono i denti di due ingranaggi ingranati) che si muovono all'incirca l'una accanto all'altra, rallentate dall'attrito. Potrebbero sembrare lisci ai tuoi occhi, da lontano, ma sono ruvidi a livello atomico e uno La superficie si trascina orribilmente l'una contro l'altra, sprecando energia e consumando i materiali (1). In basso, possiamo vedere come un lubrificante aiuti in due modi diversi: leviga e attutisce le asperità tra le due superfici (2). Inoltre, poiché è un liquido, può facilmente cambiare forma e flusso. Idealmente, scorrerà in strati perfetti, come mostrato qui, in quello che è noto come flusso laminare. Lo strato di lubrificante vicino alla superficie superiore si sposterà verso sinistra mentre lo strato vicino alla superficie inferiore si sposterà verso destra. Gli strati scivoleranno liberamente l'uno sull'altro, contribuendo così a ridurre l'attrito (3).

"Penso che scoprirai che è più complesso di così!"

Questa spiegazione è talvolta nota come lubrificazione fluida, fluido-film o idrodinamica . Fu inaugurata per la prima volta nel 1880 dal poco conosciuto ingegnere ferroviario Beauchamp Tower (1845-1904) e dal molto più famoso Osborne Reynolds (1842-1912), un britannico fisico che ha aperto la strada a gran parte della nostra comprensione moderna di come scorrono i fluidi (fluidodinamica, come è noto). Tuttavia, si tratta di una semplificazione piuttosto ampia, una versione ideale della lubrificazione, e le cose sono molto più complesse in realtà. In pratica, il lubrificante tra due superfici può essere estremamente sottile (solo poche molecole). In questo caso, non è vero che ci sono strati di lubrificante che scivolano l'uno sull'altro; Le parti frastagliate sulle due superfici possono ancora toccarsi, impigliarsi o rompersi. La lubrificazione che avviene dipende dalla natura fisica delle due superfici e dal modo in cui interagiscono con il lubrificante, che potrebbe reagire chimicamente con esse per formare altri lubrificanti più (o meno) efficaci, ed è chiamata lubrificazione al limite o al film limite . È anche possibile avere una situazione intermedia in cui c'è una miscela di diversi tipi di lubrificazione (idrodinamica e al contorno). Tutto questo va ben oltre lo scopo di questo semplice articolo, ma vale la pena tenere a mente che le spiegazioni semplici sono spesso spiegazioni semplificate!

Sebbene

alcuni lubrificanti (come la striscia sottile sul rasoio nella nostra foto in alto) vengano utilizzati a temperature ragionevolmente fresche e costanti, molti devono funzionare in motori e macchine a temperature molto elevate. I motori delle auto utilizzano oli densi e sciropposi per la lubrificazione perché questi rimangono liquidi a oltre 300 °C (570 °F), che è abbastanza caldo da sopravvivere al tipo di temperature a cui si riscaldano le parti del motore. L'acqua evaporerebbe rapidamente e si trasformerebbe in vapore in quelle condizioni, ma fa anche arrugginire le parti metalliche, quindi non è davvero una buona scelta per un lubrificante.

Spesso, i lubrificanti devono funzionare bene a una gamma di temperature. Ad esempio, in un paese freddo come l'Islanda o la Svizzera, i lubrificanti per assali delle auto devono fare il loro lavoro sia quando l'auto parte da poco a freddo sia quando è in funzione da un po'. In pratica, ciò potrebbe significare un'ampia gamma di temperature di esercizio da -10°C a 100°C (da -14 a 212°F). I lubrificanti sono molto simili a qualsiasi altra sostanza: più diventano freddi, più duri, più solidi e meno fluidi (più viscosi o "inquietanti"). A volte, ciò significa che funzionano in modo meno efficace: le prestazioni inferiori dei lubrificanti a temperature più basse è uno dei motivi per cui i motori e le trasmissioni sono meno efficienti prima di essersi riscaldati correttamente.

D'altra parte, più caldo si produce un lubrificante, più diventa sottile e meno viscoso (più liquido). [4] Anche se potrebbe sembrare una buona cosa, non sempre lo è. Su macchine pesanti che lavorano lentamente ad alta potenza, è necessario uno strato di lubrificazione più spesso e durevole e un lubrificante a bassa viscosità non sarà utile. Il più sottile a lubrificante diventa, più è probabile che una macchina si blocchi. Di solito, c'è una temperatura critica al di sopra della quale i lubrificanti non formano più un rivestimento forte ed efficace che si attacca alle parti che stanno toccando, le prestazioni diminuiscono drasticamente e il grippaggio diventa una possibilità allarmante.

Foto: Viscosità: all'aumentare della temperatura di esercizio di una macchina, la viscosità di un lubrificante diminuisce: diventa più sottile e più liquido. Con un aumento di temperatura sufficientemente grande, la viscosità di un olio o grasso pesante potrebbe cambiare drasticamente, da alta (quella della melassa o del burro di arachidi), a media (colla per legno), quindi medio-bassa (sapone liquido), a molto bassa (acqua). Per alcune macchine, i lubrificanti più densi e viscosi saranno più efficaci di quelli più sottili e meno viscosi; Per altre macchine, potrebbe essere vero il contrario.

Anche le variazioni di pressione possono fare una grande differenza per le prestazioni dei lubrificanti, Effetto opposto alle variazioni di temperatura: aumentando la pressione si aumenta la viscosità di un lubrificante "più o meno esponenzialmente". [4]

Pertanto, la progettazione di lubrificanti comporta un attento studio delle condizioni in cui operano determinati motori e macchine, comprese le velocità, le potenze e le temperature e le pressioni massime e minime, e un equilibrio tra prestazioni, efficienza e durata. Nel caso ve lo stiate chiedendo, la scienza dell'attrito, della lubrificazione e dell'usura superficiale si chiama tribologia. Quindi, la prossima volta che incontrerai un tribologo durante i tuoi viaggi, saprai esattamente di cosa parlare!

Foto: Due diversi approcci alla lubrificazione. Sopra: l'applicazione di grasso denso manterrà questi ingranaggi in funzione per qualche altra settimana o mese. Foto di Angel Roman-Otero per gentile concessione della Marina degli Stati Uniti. Sotto: cuscinetti a sfera come questi aiutano a ridurre l'attrito nelle parti mobili della macchina. C'è un anello metallico esterno fissato a una parte del macchina e un anello metallico interno fissato ad un'altra parte. I due anelli sono separati da un collare circolare (qui colorato bruno-rossastro) con fori al suo interno. Il collare può ruotare liberamente su sfere metalliche che poggiano nei fori. I cuscinetti sono solitamente lubrificati per mantenerli in funzione senza intoppi. Foto per gentile concessione del Glenn Research Center della NASA (NASA-GRC) e DVIDS.

Come funzionano le macchine autolubrificanti?

Opera d'arte: Un differenziale autolubrificante sviluppato dall'ingegnere J. Arthur Nyland per la General Motors Corporation negli anni '1950. Puoi leggere di più a riguardo nel brevetto statunitense #2,840,186: Sistema di lubrificazione. Opere d'arte per gentile concessione dell'Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti.

Devi mantenere le macchine lubrificate se vuoi farle funzionare. L'unico problema è che ci aspettiamo che la maggior parte delle macchine continui a funzionare tutto il tempo. Ogni minuto in cui una macchina di fabbrica viene fermata per manutenzione è un minuto di perdita una produzione che costa denaro. Alcune macchine continuano a funzionare mese dopo mese senza alcun tempo di inattività. Semplicemente non si fermano mai! E non sono solo le macchine a soffrire di questo problema: se possiedi un'auto, non ti aspetti di doverla fermare ogni pochi chilometri per spruzzare olio nel motore e nel cambio. Come possiamo quindi mantenere le nostre macchine oliate e in perfetta forma?

Molte macchine complesse sono progettate per lubrificarsi automaticamente, ed ecco un esempio comune. Il diagramma che puoi vedere qui mostra due diverse viste dell'ingranaggio differenziale di un'auto (l'ingranaggio nella parte posteriore che collega l'albero dell'elica, prendendo potenza dal motore e dal cambio, all'asse posteriore e alle ruote posteriori). L'immagine in alto mostra una vista in pianta (guardando in basso dall'alto) mentre l'immagine in basso mostra una vista laterale (come vedresti fissando dal lato di un'auto una delle ruote posteriori). Ho colorato le ruote dentate di rosso e puoi vedere come Il differenziale converte essenzialmente il movimento di rotazione in una direzione (lungo la lunghezza dell'auto) in un movimento di rotazione a novanta gradi (lungo la larghezza dell'auto).

Questo particolare differenziale è stato progettato da J. Arthur Nyland per la General Motors a metà degli anni '50. Oltre agli ingranaggi, vedrai altri due componenti chiave che ho sfumato in verde e blu. Le aree verdi mostrano una pompa del fluido azionata dagli ingranaggi rossi. Mentre gli ingranaggi girano, gira anche la pompa verde. In questo modo aspira il lubrificante da un serbatoio (blu), che viene poi pompato attraverso tubi stretti su parti chiave all'interno del cambio differenziale. L'intera unità differenziale è sigillata e, quando gli ingranaggi girano ad alta velocità, il lubrificante in eccesso viene espulso, gocciolando infine nel serbatoio per essere riutilizzato.

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Scopri Adesivi

• (colle): Il lavoro di un adesivo è esattamente l'opposto di quello di un lubrificante.
• Motori: Una panoramica dei diversi tipi di motori.
• Idraulica: I "muscoli liquidi" che alimentano gru, escavatori e altre macchine.
• Metalli: Un'introduzione e una panoramica.

Libri

Articoli

• Calcolo della viscosità del lubrificante in funzione della temperatura di Nancy McGuire. Società dei tribologi e degli ingegneri della lubrificazione, marzo 2021. Un'ottima introduzione tecnica su come la temperatura influisce sui lubrificanti e su come e perché la loro viscosità cambia quando si riscaldano.
• La ricerca promette un lubrificante migliore per le macchine nano di Saswato R. Das. Spettro IEEE, 14 aprile 2010. In che modo la grafite (e il grafene) possono lubrificare macchine nanoscopicamente minuscole?
• Cosa c'è dentro WD-40? Wired, 21 giugno 1999. Uno sguardo chimico più da vicino al (principalmente petrolchimico) ingredienti del popolare lubrificante.
• Olio per motori Old Macdonald's di Reuters. Wired, 21 giugno 1999. Si può davvero lubrificare un motore con olio vegetale rinnovabile, biodegradabile ed ecologico?
• Lubrificazione nell'era spaziale di Barnaby J. Feder. Il New York Times, 25 giugno 1981. Questo vecchio (ma ancora affascinante) articolo dell'archivio del Times spiega le sfide della lubrificazione dei meccanismi nello spazio.
• Lubrificazione moderna di E.M. Barber. Scientific American, vol. 170, n. 5, maggio 1944, pp.211-213. Un altro interessante articolo d'archivio con un po' di affascinante storia antica, tra cui gli esperimenti del XIX secolo della Torre Beuachamp sulla lubrificazione idrodinamica.

1. ↑   È possibile calcolare la forza di attrito (centripeta) utilizzando l'equazione m × v ² /r. Inserisci alcuni valori tipici, come fanno qui, e, Per le auto pesanti o veloci che affrontano curve strette, scoprirai che la forza supera rapidamente il peso. Poiché la velocità è al quadrato, le auto più veloci hanno bisogno di molta più forza per impedirle di scivolare.
2.    ↑ Gli esperimenti di attrito di Leonardo da Vinci: una vecchia storia riconosciuta e ripetuta da Angela A. Pitenis, Duncan Dowson e W. Gregory Sawyer, Tribology Letters, 56 (3). pagine 509-515. ISSN 1023-8883.
3.    ↑ Legge dell'attrito di Coulomb di Valentin Popov in: Meccanica del contatto e attrito. Springer, Berlino, Heidelberg.
4.    ↑ Il modo esatto in cui un lubrificante si comporta al variare della temperatura è piuttosto complesso, ma un'ipotesi ampiamente accurata è che la viscosità diminuisca esponenzialmente all'aumentare della temperatura. In altre parole, i lubrificanti diventano più sottili abbastanza rapidamente man mano che diventano più caldi, ma ulteriori aumenti di temperatura fanno sempre meno differenza. Aumenti di pressione lavorare in modo opposto, aumentando la viscosità in modo esponenziale. Si veda ad esempio Fundamentals of Fluid Film Lubrication di Bernard J. Hamrock, NASA, 1991, p.65.

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