El fenómeno de fricción ha sido parte de la vida diaria desde los comienzos de la existencia humana. No es sorprendente que algunas de las primeras actividades humanas se relacionaran con la reducción de la fricción cuando ésta representaba un problema, o con el uso de la
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fricción cuando resultaba beneficiosa. La primera categoría incluye el uso de aceites vegetales o grasas animales como lubricantes tanto como el uso de elementos rodantes para aprovechar la baja resistencia al movimiento. La segunda categoría puede ser ejemplificada por el frotamiento de varas para encender fuego y el control de movimiento por acción de frenado.
En la mayoría de las situaciones, la fricción es un fenómeno no deseado que debe ser minimizado. Resulta en movimientos dificultosos, esfuerzos desaprovechados, generación indeseada de calor, y desgaste y daño de las superficies en contacto. No obstante, es difícil de imaginar el mundo sin fricción. En un ambiente sin fricción, no habría fuerzas de tracción para permitir la locomoción, adherencia, frenado, ajuste, ni muchas otras situaciones que se han convertido en fundamentales para la vida humana.
Los primeros intentos para reducir la fricción documentados se remontan al Siglo XX A.C. Esto se ilustra en la Figura 2.1, que muestra una pintura de un templo egipcio en la que se aprecia un hombre derramando aceite para facilitar el desplazamiento de un coloso. Otro ejemplo es la carroza encontrada en la tumba egipcia de Yusa y Thulu, del Siglo XV A.C, que presenta evidencias de grasa animal en sus ejes, presumiblemente usada para su lubricación. La primera observación escrita respecto que la fricción por rodadura es mucho menor que la fricción por deslizamiento la hizo el filósofo griego Themistius (390-320 A.C.). De hecho, eso es lo que hizo de la invención de la rueda el mayor avance en el campo del transporte terrestre.
Figura 2.1: Registro egipcio de 1900 A.C. mostrando el uso de aceite para reducir la fricción durante el traslado del coloso.
Sin embargo, el primer avance importante en el entendimiento de la fricción se realizó recién en la Edad Media con la formulación, por parte de Leonardo da Vinci, de las leyes básicas de fricción. Estas leyes, que establecen que la fuerza de fricción entre dos superficies es
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proporcional a la fuerza que trata de juntarlas e independiente del área de contacto, permitieron contar con un método de predicción racional del valor de la fuerza de fricción (MacCurdy, 1938). Más adelante, Guillaume Amontons, en un trabajo publicado en los Proccedings of the French Royal Academy of Sciences (Amontons, 1699), redescubrió las leyes de fricción propuestas originalmente por Leonardo de Vinci. El hecho de que la fuerza de fricción fuese proporcional a la carga normal fue aceptada por la academia, pero la independencia con el área de contacto fue recibida con escepticismo. El académico De La Hire se volcó a la verificación de la segunda ley y logró confirmar su veracidad (Dowson, 1979). Una observación interesante fue adelantada años después por John Desaguliers quien, en su libro sobre filosofía experimental de 1734, indicó que la resistencia por fricción entre cuerpos metálicos podía incrementarse luego de pulir las superficies en contacto. El atribuyó este hecho a fuerzas adhesivas que llamó “cohesión”, aunque no pudo cuantificarlas.
Casi medio siglo después, Charles Augustin Coulomb (Coulomb, 1785) reconoció la importancia de la rugosidad de las superficies y sugirió que la fricción se producía por el trabajo hecho en arrastrar una superficie sobre otra. Coulomb es generalmente reconocido como el fundador de las actuales leyes de fricción, aunque su entendimiento sobre las causas de la misma no era completamente claro. Uno de las contribuciones importantes de Coulomb es su postulado de que el contacto sólo ocurre en los puntos discretos de contactos de asperezas. No obstante, él rechazó la teoría de adhesión y razonó que si la adhesión existía, la resistencia por fricción debería duplicarse si el área de contacto lo hacía. En consecuencia, creía que la resistencia es debida al trabajo hecho en mover una superficie sobre la rugosidad de la otra. John Leslie criticó tanto la teoría de la rugosidad como la de adhesión, creyendo que la fricción se debía al trabajo hecho por deformación de la superficie debido a la rugosidad (Leslie, 1829). A pesar de que estos primeros trabajos hacían alusión al papel de la rugosidad en el mecanismo de fricción, se tardó más de un siglo de investigación en concluir que la fricción entre sólidos resulta de su interacción en las regiones donde están en contacto real y que está influenciada por la geometría de las superficies, sus propiedades elásticas, las fuerzas adhesivas en los contactos reales, y por cómo la energía es perdida cuando las superficies son deformadas durante el deslizamiento.
La fricción es generalmente dividida en tres regímenes: seca, límite o mixta, e hidrodinámica. En la fricción seca, la limpieza de las superficies es uno de los factores más importantes que influyen sobre la resistencia por fricción. Incluso una capa de una sola molécula de grasa de la atmósfera o de los dedos puede cambiar el coeficiente de fricción
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significativamente. La influencia de la limpieza de las superficies es mucho mayor que la de la rugosidad de las mismas. En el otro extremo, cuando las superficies están separadas por una película gruesa de lubricante, la resistencia al movimiento está determinada por el comportamiento dinámico de la película. Osborne Reynolds publicó en 1886 la base fundamental para la teoría de lubricación hidrodinámica y la resistencia por fricción (Reynolds, 1886). En este caso, no existe contacto sólido-sólido y la fricción es un resultado de la resistencia al corte de la película, determinada por la viscosidad del lubricante y el espesor de la película. El análisis de Reynolds fue presumiblemente inspirado por los hallazgos experimentales de Nicolai Petrov y Beuchamp Tower. Petrov reportó en 1883 que la propiedad más importante del fluido en la lubricación hidrodinámica es la viscosidad, y no la densidad como pensó originalmente (Petrov, 1883). Él también concluyó que las pérdidas por fricción son el resultado de las tensiones de corte viscosas en la película. Por otro lado, los resultados experimentales publicados por Tower mostraron que la capacidad portante de un cojinete parcialmente sumergido en un baño de aceite es el resultado de altas presiones desarrolladas en el huelgo entre el rotor y el cojinete, y que ese huelgo es un parámetro fundamental para lograr una película lubricante completa y, consecuentemente, reducir la fricción (Tower, 1883, 1885).
Como ya se comentara en el Capítulo 1, existe otro tipo de lubricación que podría situarse entre la lubricación límite y la hidrodinámica, ésta es la lubricación elastohidrodinámica (EHD). En contactos concentrados lubricados, la presión en el fluido suele ser lo suficientemente alta como para deformar las superficies sólidas. Esta condición existe en muchos elementos de máquina tales como engranajes, rodamientos, levas y neumáticos sobre caminos cubiertos de agua. El análisis de este fenómeno EHD fue primeramente comprendido por Grubin y Dowson y constituye un campo importante de la tribología (Grubin y Vinogradava, 1949; Dowson y Higginson, 1966; Dowson, 1979). Ambas, fricción hidrodinámica y EHD son fuertemente dependientes de la velocidad y de la viscosidad del fluido. Para velocidades bajas o fluidos de poca viscosidad, cuando la película lubricante no es lo suficientemente gruesa para separar las asperezas de las superficies sólidas en contacto, la resistencia por fricción será mucho mayor que con película fluida completa, pero apreciablemente menor que para superficies secas. Una primera investigación sobre este régimen, llamado lubricación límite, fue desarrollada por Sir William Hardy a comienzos de la década de 1920. Su estudio mostró que la resistencia de fricción en el régimen límite es proporcional a la carga normal. La mayor ventaja de la lubricación límite es la de generar una fina película fluida sobre la superficie que reduce los
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contactos sólido-sólido y, consecuentemente, reduce la fricción, el desgaste y el ruido (Bowden y Tabor, 1950; Pinkus, 1987; Harnoy, 2003).
De los regímenes de lubricación mencionados, el fenómeno de lubricación hidrodinámica es el motivo de estudio del presente trabajo de tesis, por lo que sus antecedentes serán analizados más en detalle en las próximas Secciones.