Fundamentos da Tribologia: Atrito, Desgaste e Superfícies

O que é Tribologia?

Tribologia é a ciência que estuda o atrito, o desgaste e a lubrificação.

Variáveis Tribológicas Essenciais

As variáveis tribológicas são:

1. O atrito.
2. O desgaste.

Contudo, o baixo atrito ou fricção não é necessariamente benéfico em todos os casos. Por exemplo: em sistemas mecânicos, como os freios e embreagens, o atrito é essencial, ou também entre o pneu de um veículo e a superfície do pavimento, e entre o calçado e o piso durante a marcha.

Superfícies Técnicas

• Todo corpo apresenta uma superfície que o delimita e o separa do ambiente externo.
• As superfícies apresentam uma topografia e uma fina camada limite que confere propriedades específicas a um corpo.
• Esta camada tem, em consequência do seu processo de fabricação e do contato com o meio ambiente, propriedades físicas e químicas diferentes das do material de base, não perturbado no interior do corpo.

A natureza das superfícies metálicas é uma consequência direta do processo de fabricação a que foram submetidas. Por isso, são chamadas de superfícies técnicas!

Natureza das Superfícies Metálicas

• As superfícies podem ser produzidas por uma grande quantidade de formas (processos mecânicos, químicos ou físicos).
• Cada processo produz características peculiares:
  • Rugosidade;
  • Danos superficiais;
  • Tensões residuais.

Força de Atrito

Força de atrito é a força que se opõe ao movimento relativo entre dois corpos (sólidos, líquidos ou gasosos).

Nos exemplos abaixo, mostra-se a atuação desta força dissipativa entre objetos sólidos:

1. Natureza das superfícies em contato: Densidade de picos e característica química.
2. Pressão entre as superfícies: O atrito aumenta com a elevação da pressão entre os corpos em contato.
3. O atrito não depende da área de contato.
4. O coeficiente de atrito não depende da velocidade: nem sempre válido (ex.: borracha).

Tipos de Atrito de Contato

1. Atrito de contato estático: ocorre entre objetos sólidos parados.
2. Atrito de contato deslizante (ou de deslizamento): ocorre entre objetos sólidos com movimento em relação à superfície de contato. Esse tipo é levemente menor que o anterior.
3. Atrito de rolamento: ocorre com um objeto rolando sobre uma superfície.
4. Atrito hidrodinâmico: ocorre entre um sólido e um fluido (ou dentro do fluido), em movimento relativo.

Mecanismo do Atrito de Contato

Atrito de contato é o mecanismo pelo qual se desenvolvem forças de adesão na superfície de dois corpos em contato e que se traduz numa resistência ao deslizamento. As forças ainda existem se os corpos começarem a escorregar. Essas forças dependem da natureza dos dois materiais em contato e das condições superficiais.

O atrito provoca aquecimento das partes, e também desgaste, má qualidade superficial e aumento do consumo de energia para conformar, além de gerar tensão residual.

Características do Atrito Seco

• A força F é aplicada sobre o bloco, sem que o mesmo se mova.
• Aparece uma restrição, de mesmo módulo, e de direção e sentido contrário à força de atrito (Fa).
• μe é o coeficiente de atrito estático.
• Temos atrito seco, ou seja, sem a presença de lubrificante.
• O coeficiente de atrito estático é sempre maior que o coeficiente de atrito dinâmico (μe > μd).

Princípio de Aderência

Experiência das Duas Placas

As partículas fluidas em contato com uma superfície sólida têm a velocidade da superfície com a qual estão em contato.

Lei de Newton da Viscosidade

Newton observou que, após um intervalo de tempo elementar (dt), a velocidade da placa superior era constante. Isso implica que a resultante na mesma é zero. Portanto, isso significa que o fluido em contato com a placa superior origina uma força de mesma direção e intensidade, porém em sentido contrário à força responsável pelo movimento. Esta força é denominada força de resistência viscosa (Fm).

A constante de proporcionalidade da Lei de Newton da Viscosidade é a viscosidade dinâmica, ou simplesmente viscosidade.

Fluidos Newtonianos e Não Newtonianos

• Fluidos Newtonianos: são aqueles que obedecem à Lei de Newton da Viscosidade.
• Fluidos Não Newtonianos: são aqueles que não obedecem à Lei de Newton da Viscosidade.

Exemplo: Óleos lubrificantes comportam-se como fluidos newtonianos.