Il fenomeno dell'attrito, se studiato su scala nanometrica, è più complesso di quanto si pensasse. Quando si verifica l'attrito, un oggetto non fa semplicemente scorrere la sua superficie su quella di un altro, fa anche un leggero movimento su e giù. Questa scoperta completa una teoria secolare dell'attrito risalente al 1699 e scopre una lacuna nel pensiero contemporaneo sull'attrito. Il fenomeno, chiamato isteresi del sollevamento, è stato descritto in un recente studio dai ricercatori Farid Al-Bender, Kris De Moerlooze e Paul Vanherck dell'Ingegneria di produzione, Divisione di progettazione e automazione delle macchine presso il dipartimento di ingegneria meccanica di KU Leuven.
L'attrito è la forza che si verifica quando una superficie scivola su un'altra, o quando un oggetto si muove attraverso un liquido o un gas. Fino ad ora, la teoria che spiegava il fenomeno dell'attrito era frammentata. I fisici francesi Guillaume Amontons e Charles August Coulomb, operanti tra la fine del XVII e la metà del XVIII secolo, rispettivamente, cercato di trovare una spiegazione per la resistenza di attrito. La resistenza all'attrito spiega, ad esempio, perché far scivolare un mobile pesante sul pavimento è molto più difficile che far scivolare una sedia. All'aumentare del peso di un oggetto, così anche la resistenza. Il pavimento e il fondo del mobile si muovono l'uno contro l'altro da sinistra a destra o viceversa. Ma allo stesso tempo il peso dell'armadio grava perpendicolarmente sul fondo dell'armadio e sul pavimento. Questo carico normale – 'normale' nel senso che è perpendicolare alla direzione di spostamento – spinge le due superfici insieme e produce resistenza quando si verifica l'attrito. Se mettiamo la sedia e il mobile su ruote e li spingiamo in salita, è necessaria più forza per spostare l'armadio che per spostare la sedia.
Usando questo ragionamento, Amontons e Coulomb spiegavano l'attrito con la rugosità di entrambe le superfici:gli angoli e le fessure (a volte microscopicamente piccoli) di una superficie - le asperità - che si depositano su quelle di un'altra quando un oggetto si posa su un altro. Quando si verifica l'attrito, queste asperità svolgono il ruolo di pendii. sono fatti per arrampicarsi, scendere e deformarsi in modo che il movimento possa continuare, simile a quello che accade quando le setole di due spazzole si sfregano tra loro. Questa teoria è talvolta chiamata "ipotesi del rigonfiamento" perché una superficie macina sui dossi di un'altra con un movimento su e giù.
Nel XX secolo divenne chiaro che la teoria esistente non corrispondeva pienamente alle leggi della termodinamica, la scienza che studia la conversione del calore in energia meccanica o viceversa. Nello specifico, L'ipotesi dell'urto di Amontons e Coulomb non è riuscita a spiegare l'energia persa a causa dell'attrito. Nella loro teoria, la somma dell'energia necessaria per andare 'in salita' e poi in 'discesa' è zero. Allo stesso tempo, sappiamo che le superfici pure hanno una tendenza elettrochimica ad aderire l'una all'altra. Ciò è causato dalle asperità che sono attaccate l'una all'altra in un fenomeno chiamato adesione. Un tipico esempio è lo scotch. Quando si verifica il movimento, tutti i legami tra le asperità delle due superfici sono spezzati e riformati altrove. Di conseguenza, fattori come la velocità e l'accelerazione influenzano l'attrito. Con l'avvento della nuova teoria dell'adesione, La teoria di Amontons e Coulomb svanì gradualmente nell'oblio. Ma la moderna teoria dell'adesione dell'attrito ha dimostrato di avere incongruenze proprie.
Le tecniche di misurazione su micro e nanoscala consentono ora ai ricercatori di studiare l'attrito a livello atomico. Il professor Farid Al-Bender e il suo team hanno condotto un esperimento con sensori di attrito e spostamento estremamente precisi e testato vari materiali (carta, plastica e ottone) a diverse velocità di movimento. I risultati tracciano misurazioni della forza di attrito coerenti con quelle previste dalla teoria dell'adesione. Ma fino ad ora, il 'movimento normale' – movimento perpendicolare al movimento di sfregamento – non era ancora stato misurato. Mentre il movimento normale ammonta a soli 5-50 nanometri – miliardesimi di metro – questo movimento sistematico su e giù era stato precedentemente trascurato. Le misurazioni di questo movimento normale, dicono i ricercatori della KU Leuven, conferma la secolare ipotesi della deformazione dell'asperità e della pendenza lanciata da Amontons e Coulomb e dipinge un quadro più complesso del fenomeno dell'attrito perché il movimento normale deve ora essere preso in considerazione quando si sviluppa una teoria completa dell'attrito. I risultati di Al-Bender e del suo team suggeriscono che l'attrito è causato da un'interazione tra l'adesione da un lato e la deformazione dell'asperità e la pendenza dall'altro.
Tribologia:la scienza dell'attrito, lubrificazione e usura – è un'area importante dell'ingegneria meccanica. La ricerca tribologica può aiutare a ridurre i costi economici e ambientali di produzione e utilizzo. Se l'interazione tra le superfici in movimento può essere controllata, gli input di tempo ed energia possono essere ottimizzati e usurati, si possono ridurre malfunzionamenti e sprechi. La ricerca tribologica può anche contribuire alla miniaturizzazione dei prodotti, come i componenti del computer. A KU Lovanio, la ricerca in tribologia è strettamente legata alla ricerca in ingegneria meccanica, progettazione della macchina, scienza dei materiali e robotica.
