El fenómeno de la fricción, cuando se estudia a nanoescala, es más complejo de lo que se pensaba. Cuando ocurre la fricción, un objeto no simplemente desliza su superficie sobre la de otro, también hace un ligero movimiento hacia arriba y hacia abajo. Este hallazgo completa una teoría centenaria de la fricción que data de 1699 y descubre una brecha en el pensamiento contemporáneo sobre la fricción. El fenómeno, denominado histéresis de elevación, fue descrito en un estudio reciente realizado por los investigadores Farid Al-Bender, Kris De Moerlooze y Paul Vanherck de la ingeniería de producción, División de Automatización y Diseño de Máquinas del Departamento de Ingeniería Mecánica de KU Leuven.
La fricción es la fuerza que ocurre cuando una superficie se desliza sobre otra, o cuando un objeto se mueve a través de un líquido o un gas. Hasta ahora, la teoría que explica el fenómeno de la fricción estaba fragmentada. Los físicos franceses Guillaume Amontons y Charles August Coulomb, trabajando a finales del siglo XVII y mediados del XVIII, respectivamente, se esforzó por encontrar una explicación para la resistencia a la fricción. La resistencia a la fricción explica, por ejemplo, por qué deslizar un armario pesado por el suelo es mucho más difícil que deslizar una silla. A medida que aumenta el peso de un objeto, también lo hace la resistencia. El piso y la parte inferior del gabinete se mueven uno contra el otro de izquierda a derecha o viceversa. Pero al mismo tiempo, el peso del gabinete se apoya perpendicularmente sobre la base del gabinete y el piso. Esta carga normal, "normal" en el sentido de ser perpendicular a la dirección del cambio, empuja las dos superficies juntas y produce resistencia a medida que se produce la fricción. Si ponemos la silla y el armario sobre ruedas y los empujamos cuesta arriba, se necesita más fuerza para mover el gabinete que para mover la silla.
Usando este razonamiento, Amontons y Coulomb explicaron la fricción por la rugosidad de ambas superficies:los rincones y grietas (a veces microscópicamente pequeños) de una superficie, asperezas, que se asientan sobre las de otra cuando un objeto descansa sobre otro. Cuando ocurre la fricción, estas asperezas juegan el papel de pendientes. Están hechos para trepar descender y deformar para que el movimiento pueda continuar, similar a lo que sucede cuando las cerdas de dos cepillos se frotan. Esta teoría a veces se denomina "hipótesis de los golpes" porque una superficie se muele sobre los golpes de otra con un movimiento hacia arriba y hacia abajo.
En el siglo XX quedó claro que la teoría existente no se correspondía completamente con las leyes de la termodinámica, la ciencia que estudia la conversión de calor en energía mecánica o viceversa. Específicamente, La hipótesis del golpe de Amontons y Coulomb no pudo explicar la pérdida de energía como resultado de la fricción. En su teoría, la suma de la energía necesaria para ir "cuesta arriba" y luego "cuesta abajo" es cero. Al mismo tiempo, sabemos que las superficies puras tienen una tendencia electroquímica a adherirse unas a otras. Esto se debe a que las asperezas se pegan unas a otras en un fenómeno llamado adhesión. Un ejemplo típico es la cinta adhesiva. Cuando ocurre el movimiento, todos los lazos entre las asperezas de las dos superficies se rompen y se reforman en otra parte. Como consecuencia, factores como la velocidad y la aceleración influyen en la fricción. Con el surgimiento de la nueva teoría de la adhesión, La teoría de Amontons y Coulomb se desvaneció gradualmente en el olvido. Pero se demostró que la teoría de la fricción de la adhesión moderna tiene sus propias inconsistencias.
Las técnicas de medición a micro y nanoescala permiten ahora a los investigadores estudiar la fricción a nivel atómico. El profesor Farid Al-Bender y su equipo realizaron un experimento con sensores de fricción y desplazamiento extremadamente precisos y probaron varios materiales (papel, plástico y latón) a diferentes velocidades de movimiento. Los resultados trazan mediciones de la fuerza de fricción consistentes con las predichas por la teoría de la adhesión. Pero hasta ahora El "movimiento normal", es decir, el movimiento perpendicular al movimiento de frotamiento, aún no se había medido. Si bien el movimiento normal equivale a tan solo 5 a 50 nanómetros, una mil millonésima parte de un metro, este movimiento sistemático de arriba a abajo se había pasado por alto anteriormente. Medidas de este movimiento normal, dicen los investigadores de KU Leuven, confirma la hipótesis centenaria de la deformación por aspereza y la pendiente promovida por Amontons y Coulomb y pinta una imagen más compleja del fenómeno de la fricción porque ahora se debe tener en cuenta el movimiento normal al desarrollar una teoría integral de la fricción. Los resultados de Al-Bender y su equipo sugieren que la fricción es causada por una interacción entre la adherencia por un lado y la deformación por aspereza y la pendiente por el otro.
Tribología:la ciencia de la fricción, lubricación y desgaste:es un área importante de la ingeniería mecánica. La investigación en tribología puede ayudar a reducir los costos económicos y ambientales de producción y uso. Si se puede controlar la interacción entre superficies móviles, las entradas de tiempo y energía pueden optimizarse y desgastarse, Se pueden reducir las averías y los residuos. La investigación tribológica también puede contribuir a la miniaturización de productos, como componentes de computadora. En KU Leuven, La investigación en tribología está estrechamente relacionada con la investigación en ingeniería mecánica, diseno de la maquina, ciencia de materiales y robótica.
