sobre as leis fundamentais que regem as forças de atrito

Sobre as leis fundamentais queregem as forças de atrito

Prof. Carlos A. Figueroa

Laboratório de Caracterização de Superfícies em NanoEscalaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências dos Materiais

Área do Conhecimento de Ciências Exatas e EngenhariasUniversidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul, RS, Brasil.

Mas, o que seriam as forças de atrito?

Definição: Atrito é a força de resistência ao movimento relativo de superfícies sólidas, camadas fluídas e elementos

materiais se deslizando um contra o outro.

E sem forças de atrito, aconteceria isto aqui:

Uma simples caminhada não

aconteceria sem as forças de atrito!

http://climate.nasa.gov/climate_resources/139/

CAI, M. et al. 2013// 2013.

� 75% da energia mundial é produzida apartir de combustíveis fósseis;

Preocupações globais:• a solução para escassez energética;• a redução da emissão de gases do efeito

estufa no que condiz as rígidas normasde regulamentação ambiental;

Anomalias da temperatura global de 1947 e 2015.

Mas, por que estudar as forças de atrito?

Soluções:� Fontes de energias alternativas;� Melhora da eficiência energética;

O caminho de maior eficiência energética: pesquisa e desenvolvimento em engenharia e ciência de superfícies (por

exemplo, atrito).

Perdas energéticas na transferência de movimento: fenômenos tribológicos

HOLMBERG, K. et al. 2014.

TAYLOR, R. I. 2012.

Mas, por que estudar as forças de atrito?

Primeiros tribólogos: Leonardo da Vinci, Guillaume Amontons(1663-1705), John Theophilius Desanguliers (1683-1744),Leonard Euler (1707-1783) e Charles-Augustin Coulomb (1736-1806).

Trabalhos do Leonardo da Vinci sobre a resistência ao movimento em termos estáticos e dinâmicos

Guillaume Amontons (1663-1706)

1ª Lei do Atrito: A força de atrito é proporcional à força normal; e

2ª Lei do Atrito: A força de atrito é independente da área aparente de contato.

Charles-Augustin de Coloumb (1736-1806)

3ª Lei do Atrito: A força de atrito é independente da velocidade de deslizamento.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020768315000323

Outras teorias surgiram baseadas na mecânica de contato

(~ 1950) Bowden e Tabor.

� tensão de cisalhamento das asperezas

� raio da curvatura das asperezas

� módulo de Young reduzido

Um pouco de história das leis do atrito (todasfenomenológicas):

Correlaciona o fenômeno de atrito cinético

macroscópico com eventos de desgaste

em nanoescala (simulação teórica):

(*)S. J. Eder et al. Phys. Rev. Let., 115 (2015) 025502

Termo de Derjaguin Lei de Amontons-Coulomb

Força de atritoTermo de Bowden-Tabor

A mais nova expressão para força de atritocinético (fenomenológica)(*):

Fenômeno de atrito. Indo do macro ao nano:

O desafio passa por interpretar as propriedades macroscópicas que determinam o coeficiente de atrito

com os conceitos básicos como forças de atração e repulsão, rigidez e energia de ligação química, fônons,

banda eletrônica, etc.

Razão q(carga)/r(raio) e coeficiente de atrito vs. tipo

de óxido(*)

Lembram de Química Inorgânica?

(*) A. Erdemir, Surf. Coat. Techn. 200 (2005) 1792.

Fenômeno de atrito. Indo do macro ao nano (*):

(*) Y. Mo et al., Nature 457, 1116–1119 (2009).R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.

Um nano-mundo fascinante!

Os modelos do fenômeno de atrito em nanoescala(*):

Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito

É um trabalho de microscopia de força atômica...é a camadamais externa. Não uma interação com o volume do material.

(*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.

Aqui estão os fônons!

Os fônons são oscilações coletivas em uma arranjo periódico e elástico de átomosou moléculas em estado sólido e em alguns líquidos. O fônon é uma descriçãomecano-quântica de um movimento vibracional elementar no qual uma célulaunitária de átomos ou moléculas oscila uniformemente em uma frequênciadeterminada. Em mecânica clássica, essa oscilação é conhecida como modo normal.Enquanto um modo normal possui uma interpretação de fenômeno ondulatório, ofônon possui propriedades de onda e partícula, uma dualidade típica da mecânicaquântica.

A supercondutividade diminui o coeficiente de atrito em metais(1,2)

Energia requerida paraquebrar um par de Cooper∼ 10-4 eV

Energia típica dos fônonsacústicos ∼ 10-6 eV

Contribuição via estados eletrônicos:

Nbsupercondutor Modelo

de amortecimentoôhmico

(1)J. Krim, Adv. in Phys. 155-323 (2012) 61.(2)M. Kisiel et al., Nature Mat. 119-122 (2011) 10.

(*) T. A. L. Burgo et al., Sci. Rep. 3 (2013) 2384.

Cargas eletrostáticas em polímeros (PTFE) podem controlar ocoeficiente de resistência ao rolamento (CoRR).(*)

Bolinhas de vidro = superfície hidrofílica

Bolinhas de vidro silanizadas = superfície hidrofóbica

Contribuições via cargas eletrostáticas:

Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito(*)

(*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.

A energia dissipada

depende da frequência de vibração das

ligações químicas na superfície do material. Essa

energia dissipada se traduz em

atrito.

Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito(*)

(*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.

Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito

Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito(*):

Dentro do erro experimental, parece não existir uma dependência entre a força de atrito e a massa do elemento

absorvido.(*) Y. Mo et al., PRB 80 (2009) 155438

Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito(*):

Crítica ao trabalho anterior (Science): resistência ao cisalhamento depende da porcentagem de superfície

coberta pelos elementos absorvidos/ligados.

(*) Y. Mo et al., PRB 80 (2009) 155438

Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito:

Novos resultados que podem vir a encerrar a discussão

Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito: composição do material(*)

(*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.

Deslizamento unidirecional

Medição da força de atritopor contato mecânico(*):

d = profundidade na ordemdos nanometros (20 a 500 nm)

Pontas cônicas com raios de 10 e 25µm (LACASUNE)

Força tangencial (de atrito)

medida por uma célula de carga

(*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.

Mudança da força de atrito com o conteúdo de deutério(*)

(*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.

(*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.

Comparativa com modelos de dissipação

fonônica(*)

Nosso trabalho concordacom os resultados obtidos por AFM

(Science)

Coming soon!

Interações elétricas nas

forças de atrito de filmes

finos de a-C:H!

Coming soon!

0 10 20 30 40 50 60

1

2

3

4

Po

lariza

bili

ty (

α), x1

0-2

4cm

3

Number of electrons

Forças devan der Waals

nas interações entreátomos de gases nobres

He

a-C:H (+ H e - C)3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Co

effic

ien

t fr

ictio

n,

µ

Number of electrons

Forças devan der Waals

determinando o atritoem filmes de a-C:H?

Xe

a-C:H (- H e + C)

p = α E

Epílogo do seminário copiadode:

Finalmente, quero agradecer ao Grupo Epipolé, que faz acontecer toda esta magia!