La tribologia è la scienza che studia l'attrito, la lubrificazione e l'usura, ovvero tutti i problemi che possono presentarsi nel moto relativo tra superfici interagenti sottoposte a carico. La parola tribologia deriva dal greco ed è composta da tribos (in greco Τρίβος), che significa attrito e logos (in greco λόγος), che significa studio o scienza, quindi letteralmente "la scienza dell'attrito".
È però necessario precisare che la definizione più corretta per questa disciplina secondo Halling è la seguente: "la scienza e la tecnologia delle superfici interagenti in moto relativo e delle sostanze e pratiche relative". Infatti l'interesse del tribologo spazia dalla fisica, all'ingegneria, alla chimica, alla biologia e molto altro ancora.
La tribologia è una materia che ha moltissime applicazioni, non solo in campo industriale, ma soprattutto nella vita quotidiana di ciascuno di noi. Potremmo, infatti, ripercorrere un'intera giornata all'insegna della tribologia: dall'utilizzo della schiuma da barba, per permettere uno scorrimento migliore del rasoio sulla pelle, al mattino, fino all'usura controllata nello spazzolamento dei denti prima di andare a dormire.
Storia
Preistoria e tempi antichi
Fin dal principio, l’uomo ha avuto a che fare con la tribologia e in alcuni casi, vi sono anche testimonianze di primordiali applicazioni tribologiche. Lo strofinamento di pietre focaie o legnetti per produrre il fuoco, o l’invenzione della ruota, nata per ridurre l’attrito nel trasporto di materiale e risalente a circa 6000 anni fa, sono solo alcune delle prove che l’archeologia porta a sostegno di quanto affermato. Le prime testimonianze documentate da dipinti o raffigurazioni, però, risalgono all’antico Egitto dove la costruzione delle piramidi aveva posto parecchi problemi di natura tribologica. Possiamo affermare che per ovviare al problema del trasporto di materiale pesante, gli egizi facevano già allora uso di lubrificanti.
Una testimonianza molto importante di quanto detto è stata portata alla luce verso la fine dell’ottocento in una tomba egizia. Se si osserva l’immagine con attenzione si possono contare 172 schiavi che trascinano una pesante statua, posta su di una slitta, e un uomo, che vi versa un liquido davanti al fine di far scorrere meglio la slitta e agevolare il lavoro degli schiavi. Volendo ora mettere alla prova la veridicità di quanto raffigurato, si può fare un veloce calcolo del coefficiente di attrito. Se si considera che ciascuno schiavo esercita sulla slitta una forza di traino di circa 800 N, e che la statua pesa circa 60 tonnellate, avremo che il coefficiente di attrito μ sarà dato da:
dove N è il numero di schiavi, è la forza di traino di ogni schiavo, g è l'accelerazione gravitazionale e è la massa della statua. A questo punto possiamo affermare che μ = 0.23 è un valore attendibile per un coefficiente di attrito nel caso di slitte lubrificate.
Le teorie dell'attrito
Leonardo Da Vinci Leonardo Da Vinci, italiano noto in tutto il mondo per i suoi capolavori sia artistici che ingegneristici, fu probabilmente il primo a giungere ad alcune importanti conclusioni riguardanti l'attrito, anche se questo primato gli fu attribuito con un certo ritardo.
Egli, infatti, riportò alcune delle sue speculazioni in talune pagine di taccuini, le quali furono erroneamente considerate scarabocchi e a cui, solo nel 2016 grazie ai lavori di Ian Hutchings, ricercatore dell'Università di Cambridge, fu ridata la giusta importanza. Grazie ad Hutchings, infatti, è possibile affermare che gli studi di Leonardo sull'attrito iniziarono nel 1493 e che, grazie anche all'ausilio di apparati come il piano inclinato e il blocco tirato da pesi tramite corde e carrucole, lo portarono a due prime considerazioni, che altro non sono che le leggi di attrito che si utilizzano anche oggi:
la forza di attrito che agisce tra due superfici di scorrimento è proporzionale al carico che agisce sulle stesse con un coefficiente di 1/4 per tutti i corpi da lui esaminati nel caso di superfici pulite e lisce; l'attrito è indipendente dall'area di contatto tra le superfici;
Leonardo, inoltre, fornì un ulteriore contributo allo studio dell'attrito, studiando l'attrito volvente e giungendo all'importante conclusione che tale tipo di attrito non è connesso allo strisciamento, ma a un tipo di contatto che può essere visto come una progressione di passi infinitamente piccoli.
Primi studi sull'attrito nei mezzi di trasporto Nel 1685 Robert Hooke, noto per la legge che regola la forza elastica, presentò alla Royal Society un saggio sui mezzi di trasporto, dove si trattava ampiamente il problema dell'attrito di rotolamento delle ruote, intitolato "On the various way of conveyance". Secondo Hooke ci sono due cause principali di attrito se si parla di ruote e suolo: la deformazione dei materiali interessati e l'adesione. Il primo tipo di resistenza è causata da una mancata restituzione, da parte del suolo, della stessa forza fornitagli dalla ruota nella fase di deformazione. Nel caso dell'adesione, invece, Hooke osservò che era necessaria una nuova forza capace di staccare i due materiali.
Le leggi dell'attrito e la teoria delle asperità Nel 1699 Guillaume Amontons, ignaro degli studi di Leonardo, enunciò a sua volta le prime due leggi dell'attrito: La forza d'attrito è proporzionale al carico.
La forza d'attrito non dipende dall'area di contatto. Il contributo di Amontons allo studio della tribologia però non terminò qui. Egli, infatti, si rese conto che la resistenza causata dall'attrito era simile in alcuni materiali, come ferro, rame, piombo e legno, combinati tra loro in tutti i modi possibili e lubrificati con grasso di maiale; inoltre tale resistenza risultava essere circa un terzo del carico applicato. Proseguendo con i suoi studi cercò anche di spiegare quale fosse l'origine dell'attrito, e l'attribuì a delle proprietà fisiche delle superfici in contatto che, secondo Amontons, non erano perfettamente lisce, ma presentavano delle protuberanze microscopiche definite asperità. L'attrito, secondo il fisico francese, è legato proprio alla forza necessaria per superare queste asperità o per deformarle. Philippe de la Hire, matematico francese che negli anni immediatamente successivi alle pubblicazioni di Amontons si occupò di verificarne gli enunciati, dopo aver dato conferma di quanto affermato dal compatriota, fornì un modello esplicativo in cui le asperità delle superfici vengono considerate come molle elastiche. Inoltre, considerò le asperità come causa dell'usura, quando, a causa dello strofinio tra due superfici, queste protuberanze sono strappate via dalla superficie dell'oggetto in questione. Per quanto riguarda la base matematica di tali teorie riguardanti le asperità rigide a forma di denti di sega, il contributo primo si deve a Leonhard Euler. Il quale, nel 1748-1750, afferma che il coefficiente di attrito statico (del quale fornisce anche il simbolo tuttora in uso, μ) dovrebbe essere uguale alla tangente dell'angolo che descrive l'inclinazione massima dei piani inclinati costituenti le superfici delle asperità. I suoi studi risultano anche fondamentali per osservare la differenza tra coefficiente di attrito statico e dinamico, egli infatti prevede un coefficiente di attrito statico più intenso rispetto a quello dinamico.
La teoria della coesione Contemporaneamente alla teoria delle asperità si sviluppò anche una teoria secondo la quale l'attrito è dovuto, almeno in parte, ad un effetto di coesione tra le superfici di oggetti in contatto. L'esperimento che portò a tali considerazioni fu effettuato da John Theophilus Desaguliers negli anni '20 del '700, e portò quest'ultimo all'osservazione di una forte adesione tra due sferette di piombo. L'apparato sperimentale utilizzato da Desaguliers si componeva di due sferette di piombo di diverse dimensioni, che venivano pressate una contro l'altra con le mani, e successivamente appese per mezzo di una corda attaccata a una delle due sfere. Una volta sottoposto l'apparato alla forza di gravità, si notava che le sfere rimanevano attaccate, evidenziando così la presenza di una forza di adesione. Successivamente Desaguliers cercò di modificare le condizioni dell'esperimento per valutare gli eventuali effetti e sorprendentemente si rese conto che, contrariamente a quanto affermato dalla teoria delle asperità rigide, se si levigavano le sferette con un coltello l'attrito tra di esse aumentava. Questo fatto apportava un'ulteriore conferma dell'esistenza di una qualche forza di adesione tra i metalli. Desaguliers osservò inoltre tale forza di adesione anche nel legno, dove la presenza di acqua comportava un coefficiente di attrito maggiore del legno umido rispetto a quello del legno secco. Il fisico dunque concluse che, benché l'attrito è dovuto in gran parte alle asperità, esiste un'ulteriore forza che contribuisce ad esso, anche se in misura minore, che è appunto data dall'effetto di coesione. Come da prassi, tutte queste osservazioni e conclusioni furono riprese e verificate anche da Samuel Vince nel 1785, il quale aggiunse anche che l'attrito dinamico era minore di quello statico proprio a causa della presenza di un effetto di adesione negli oggetti immobili.
La terza legge dell'attrito In Francia, verso la fine del '700, le esigenze tecniche, dovute alla necessità di trasporti sempre più efficienti e nuovi macchinari, erano in continuo aumento, e fu proprio per questo motivo che l'Académie des Sciences offrì un cospicuo premio a chiunque fosse in grado di compiere lo studio più completo ed esaustivo possibile in merito alle leggi dell'attrito. Il premio, fu assegnato nel 1781 a Charles Augustin Coulomb grazie alla presentazione del suo lavoro intitolato "Théorie des machines simples".
Nello studio Coulomb affronta separatamente il tema dellattrito statico, che studia in funzione di varie possibili cause: la natura delle superfici in contatto, l'area delle superfici, il carico sopportato e la durata del contatto; e lattrito dinamico, che studia invece osservando: la natura delle superfici in contatto, l'area delle superfici, il carico sopportato e la velocità relativa tra le superfici. Per ottenere risultati soddisfacenti Coulomb mette in piedi apparati di grandi dimensioni con slitte capaci di scivolare su materiali di diverso tipo e di essere appesantite o alleggerite per valutare i diversi carichi. Dopo aver ripetuto più e più volte i suoi esperimenti, valutando diverse condizioni iniziali e studiando principalmente i materiali necessari a fini industriali, come legno, ferro o rame, il fisico ricavò una formula empirica capace di descrivere i risultati ottenuti per l'attrito statico:
che tende ad un valore finito m per .Nel caso dell'attrito dinamico giunse all'importante affermazione, oggi nota come terza legge dell'attrito, secondo cui l'attrito dinamico è indipendente dalla velocità. È necessario, però, osservare che tale asserzione è in realtà un generalizzazione di quanto descritto nella "Théorie des machines simples", dove Coulomb distinse caso per caso (metallo con metallo, metallo con legno etc.) la dipendenza dei materiali dalla velocità e affermò solamente per i metalli che la forza d'attrito è indipendente dall'area di contatto e dalla velocità. Coulomb studiò anche lattrito volvente, affermando che la forza che vi è collegata deve essere direttamente proporzionale al carico ed inversamente proporzionale al raggio del cilindro studiato. Per quanto riguarda le cause dell'attrito, Coulomb riprese i lavori sulle asperità e sulla coesione dei colleghi e concluse che la causa prima doveva essere l'incastro e la deformazione delle asperità, mentre la coesione avrebbe comunque un'influenza marginale in quanto direttamente proporzionale "al numero di punti di contatto o all'area delle superfici".
L'attrito volvente