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(*):
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!
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