Determinação dos valores de fricção e coeficiente de fricção dos materiais

O coeficiente de fricção é uma variável física derivada do campo de tribologia para a fricção entre dois objetos. O coeficiente de fricção define a força que ocorre durante a fricção (força de fricção) em relação à força com que os objetos são pressionados juntos (força de pressão). O coeficiente de fricção é, portanto, um parâmetro importante ao examinar o desgaste do material e as propriedades deslizantes. Este artigo explica as noções básicas do coeficiente de fricção, os seus métodos de medição e as suas aplicações em tecnologia.

O que é fricção seca?

A fricção geral é a resistência entre duas superfícies sólidas e atrasa o movimento relativo na direção oposta.

A fricção seca é um tipo especial de fricção quando não existe lubrificante ou líquido entre as superfícies. A fricção seca depende em grande parte da rugosidade das superfícies de contacto.

Quando os líquidos ou lubrificantes desempenham um papel, isto chama-se fricção entre líquidos ou fluidos. No entanto, noutros meios (por exemplo, ar ou água), é referido como fricção do ar ou fricção do fluxo.

O atrito pode ser observado em muitas aplicações e situações industriais, como girar um parafuso em uma rosca interna. Ou quando as porcas roscadas se movem ao longo de uma chave de parafusos (por exemplo3D-printing). O objetivo é, geralmente, minimizar a fricção e, assim, aumentar a resistência ao desgaste do sistema.

Tipos de fricção seca

A fricção seca pode ser dividida em duas categorias:

• Fricção estática: A fricção estática ocorre quando as duas superfícies estão em contacto, mas ainda não foram movidas uma contra a outra.
• Fricção dinâmica: A fricção dinâmica ocorre quando uma força externa é suficientemente grande para iniciar o movimento entre duas superfícies.

Estas duas categorias de fricção seca mostram um comportamento diferente.

Fricção estática

A fricção estática (também conhecida como fricção adesiva) ocorre quando a força aplicada não é suficientemente grande para iniciar o movimento e o objeto permanece estático ou em equilíbrio.

Cálculo da força de fricção estática

O coeficiente de atrito estático (μ_s) descreve a relação entre a força normal (F_N) e a força de reação resultante ou o atrito adesivo (F_H) antes do início do movimento - ou seja, em posição de repouso:

O seguinte aplica-se à força normal no plano inclinado com ângulo de atrito:

O seguinte se aplica à força normal no plano sem ângulo de atrito:

O coeficiente de atrito é sempre unitless e é determinado experimentalmente. Na maioria dos casos, os coeficientes de fricção de vários emparelhamentos de materiais (por exemplo, aço sobre aço) já foram determinados e podem ser encontrados na literatura especializada relevante – ver também “Materiais e tabela com coeficientes de fricção”.

Fricção dinâmica

A fricção dinâmica (também conhecida como fricção cinética) ocorre quando a força aplicada é suficientemente grande para colocar o objeto em movimento.

Calcular a força de fricção dinâmica

O coeficiente de atrito dinâmico (μ_d) descreve a razão entre a força de atrito (F_R) e a força normal (F_N) durante o movimento entre as superfícies:

O seguinte aplica-se à força normal no plano inclinado com ângulo de atrito:

O seguinte se aplica à força normal no plano sem ângulo de atrito:

O coeficiente de atrito é sempre unitless e é determinado experimentalmente. Na maioria dos casos, os coeficientes de fricção de vários emparelhamentos de materiais (por exemplo, aço sobre aço) já foram determinados e podem ser encontrados na literatura especializada relevante – ver também “Materiais e tabela com coeficientes de fricção”.

Determinação experimental dos coeficientes de fricção e dos valores de fricção

Os coeficientes de atrito para atrito estático e dinâmico devem ser determinados experimentalmente, pois dependem de vários fatores, como textura e aspereza da superfície, velocidade de movimento e condições ambientais.

A determinação experimental dos coeficientes de atrito e dos valores de atrito requer o desempenho preciso dos testes de atrito sob condições controladas.

• Crie uma configuração de teste adequada que permita que duas amostras de material ou superfícies se esfreguem umas contra as outras. A configuração deve permitir a aplicação de uma força externa ou peso para iniciar o movimento de fricção e controlo.
• Selecione os materiais para os quais pretende determinar o coeficiente de fricção e certifique-se de que as superfícies estão limpas e livres de contaminação. As superfícies devem fornecer uma representação representativa das condições reais de aplicação.
• Prepare cuidadosamente as superfícies das amostras de material para minimizar as irregularidades causadas por contaminação. As superfícies limpas contribuem para resultados reprodutíveis.
• Verifique as condições ambientais e mantenha-as constantes em todos os testes realizados. Realize os testes em ambientes controláveis onde possam manter o máximo de fatores ambientais possíveis constantes. Isto afeta principalmente a pressão do ar (Δp constante), a temperatura (ΔT constante) e a humidade.
• Realizar os testes de atrito. Meça as forças aplicadas e as forças de reação resultantes ou as forças de fricção enquanto o movimento está ocorrendo ou quando você tenta iniciar o movimento.
• Repita os testes de atrito várias vezes para obter dados significativos.
• Calcule os coeficientes de fricção (μ_s e μ_d) com base nos dados medidos. Utilize as fórmulas adequadas para calcular os coeficientes de fricção ou para determinar os valores de fricção para a combinação de material selecionada. Observe também as condições ambientais.

Durante o teste, meça as seguintes forças:

• Meça a força de fricção estática no medidor de força de mola pouco antes de o objeto ser colocado em movimento.
• Meça a força de fricção deslizante no medidor de força da mola enquanto o objeto está em movimento.

Em seguida, calcule os coeficientes de fricção:

A exatidão e a sensibilidade da medição são decisivas para obter dados precisos. Os coeficientes de atrito determinados podem depender grandemente das condições de aplicação específicas.

A determinação experimental dos valores de atrito pode ser morosa e dispendiosa. No entanto, é essencial melhorar a compreensão das propriedades de fricção dos materiais e desenvolver aplicações técnicas eficientes. É necessário um planeamento cuidadoso, execução precisa e avaliação estatística para alcançar resultados precisos e fiáveis.

Importância do atrito em aplicações industriais

O atrito desempenha um papel central numa variedade de aplicações industriais e é um fenómeno físico fundamental que não só traz vantagens, como também desafios.

Em muitos sistemas técnicos, como motores, unidades de engrenagens ou rolamentos, é necessário controlar ou minimizar a fricção para reduzir as perdas de energia e o desgaste e melhorar a eficiência.

• Sistemas de controlo de movimento e travagem: A fricção é utilizada em sistemas de travagem para controlar e abrandar o movimento das máquinas. A exploração direcionada de propriedades de fricção permite um controlo preciso e segurança.
• Fricção e estabilidade adesivas: Em muitas aplicações, tais como em pé numa superfície inclinada, a fricção estática é crucial para garantir a estabilidade e evitar o deslizamento.
• Desgaste do material e vida útil: A fricção pode causar desgaste do material, o que pode reduzir a vida útil dos componentes. É importante compreender as propriedades de fricção para minimizar o desgaste e maximizar a vida útil dos componentes.
• Seleção de material: O conhecimento das propriedades de fricção dos materiais é crucial ao selecionar materiais para aplicações específicas. Os valores de atrito devem ser levados em consideração para selecionar combinações ideais de materiais para fins específicos.
• Lubrificação: A lubrificação eficiente é crucial para reduzir o atrito e o desgaste em muitos sistemas mecânicos e prolongar a sua vida útil.

Afetar a fricção no desgaste

A maioria das aplicações industriais tem os seguintes objetivos:

• minimizar o desgaste
• maximizar a eficiência do sistema
• maximizar a vida útil do sistema

Fricção, lubrificação, aspereza e desgaste formam um sistema dinâmico e são mutuamente dependentes.

O contexto científico de fricção e desgaste está a ser explorado no campo da tribologia, ensinando a fricção, lubrificação e desgaste nos componentes. Todas as aplicações industriais, em que os componentes mecânicos trabalham em conjunto ou se encontram, podem ser consideradas um sistema tribológico chamado.

As interações mútuas devem ser tidas em consideração, particularmente em aplicações a longo prazo:

• A temperatura e outras condições ambientais podem afetar as propriedades de fricção. A temperaturas mais elevadas, os materiais podem amolecer, o que pode levar a fricção alterada. Por outro lado, uma temperatura elevada também pode levar a uma falha do lubrificante ou a um aumento do desgaste.
• O desgaste das superfícies de contacto (por exemplo, abrasão) pode influenciar as propriedades de fricção a longo prazo. Se o material se desgastar ou se soltar das superfícies de contacto, isto pode levar a uma alteração nos fatores de fricção. O aumento do desgaste também pode levar a um aumento da fricção e deterioração do desempenho.
• A lubrificação, seja na forma de líquidos ou sólidos, desempenha um papel importante na influência do atrito. Uma lubrificação adequada pode reduzir a fricção e minimizar o desgaste. No entanto, uma lubrificação deficiente ou a falta de lubrificação podem levar a um aumento do atrito e desgaste.

Em todas as aplicações industriais, é importante considerar as interações e realizar verificações regulares de desgaste.

Medidas para aumentar a fricção

Em algumas aplicações industriais, pode ser importante aumentar o atrito dos componentes. Por exemplo, para evitar o desaperto das ligações dos parafusos.

Para aumentar a fricção, estão implementadas as seguintes medidas, por exemplo:

• Aumentar a espessura ou aspereza da superfície: O desbaste de uma superfície pode aumentar a fricção. Uma possibilidade de desbaste é o chamado desbaste (por exemplo, desbaste por varrimento) no qual a superfície é alterada diretamente. Outra opção é o tratamento de superfície, no qual um revestimento é aplicado ao material de base – por exemplo, através de galvanização a quente.
• Utilize aditivos de fricção: Podem ser adicionados aditivos a determinados óleos de máquina para aumentar a fricção.
• Utilize adesivos ou acolchoamento: A aplicação de adesivos ou almofadas pode aumentar a fricção. A fita de teflon ou o fluido de bloqueio de rosca são adequados, por exemplo, em ligações de parafusos. Estes agentes também podem ter um efeito de selagem.

Materiais e tabela com coeficientes de atrito

Segue-se uma visão geral dos coeficientes de fricção seca dos pares de materiais típicos.