Inizio dello scorrimento per attrito del contatto gomma-vetro in condizioni asciutte e lubrificate

Risultati sperimentali

Un campione di gomma (60 × 60 mm2) è stato premuto contro superfici di vetro asciutte e bagnate in un tester di attrito lineare (Fig. 1). Dopo il caricamento, una forza longitudinale è stata applicata alla superficie superiore del campione. Le forze che agiscono sul campione sono state misurate e il movimento della superficie della gomma è stato fotografato ad alta velocità attraverso una piastra di vetro trasparente. Le sequenze di immagini della fotocamera ad alta velocità sono state analizzate tramite DIC per studiare il processo di distacco.

Gomma su vetro asciutto

La figura 2 mostra come un blocco di gomma statico viene staccato per iniziare lo scorrimento. Le curve di forza sono date per diversi carichi e una sequenza di immagini è mostrata per un carico di 600 N (0,166 N/mm2). Il distacco è chiaramente iniziato dagli angoli posteriori dell’area di contatto (immagine 3, 0,02 s) e continuato da un distacco dai lati e dal retro (immagine 4, 0,03 s). L’ultima area ad aderire al vetro è la zona centrale della gomma dopo il distacco del bordo d’attacco (immagini 4-5, 0,03-0,05 s). Il distacco completo si osserva dopo 0,05 s, dove la curva di forza mostra anche la convergenza nell’attrito radente costante.

L’inizio della curva di forza indica una transizione morbida dalla situazione statica allo scorrimento senza alcun valore di picco identificabile che potrebbe essere considerato μs. Inoltre, la rampa di forza non mostra alcun precursore di scorrimento quando viene campionata a 10 000 Hz. Il coefficiente di attrito è chiaramente più piccolo per i carichi da 600 N e 800 N, indicando la dipendenza dal carico prevista. Tutti i carichi e le ripetizioni hanno mostrato modelli di distacco simili. Per una delle diverse sessioni di test, il campione è stato leggermente allineato con la superficie del vetro, il che ha provocato un distacco dall’altro angolo posteriore. Tuttavia, l’area di adesione finale era ancora al centro del contatto.

Il tempo di distacco completo dipende chiaramente dal carico; tuttavia, l’esatto istante di tempo per raggiungere il completo scorrimento globale è difficile da identificare (sia dai dati di forza che dai dati di immagine).

Gomma su vetro bagnato

La figura 3 mostra la propagazione del distacco su vetro bagnato (con parametri di prova simili al caso del vetro asciutto). La sequenza di immagini DIC mostra come il contatto si strappi molto bruscamente per permettere lo scorrimento in pochi millisecondi. L’intera area di contatto sta già scivolando a 0,016 s, mentre lo stesso campione non ha iniziato un chiaro distacco su vetro asciutto (Fig. 2). Il modello di distacco sul vetro bagnato è molto caotico e anche dai dati grezzi dell’immagine (non mostrati), non è possibile identificare un modello di distacco simile a quello osservato nel caso del vetro asciutto.

La curva della forza mostra un chiaro valore di picco, che sarebbe tradizionalmente il μs. La rampa di forza non mostra precursori chiari, ma sono occasionalmente osservati nel setup di misurazione e più spesso per la superficie bagnata che per quella asciutta. Una caratteristica interessante si osserva quando si confrontano le immagini 1 e 2. L’immagine 1 mostra macchie distribuite in modo casuale, che è il rumore dovuto all’analisi numerica dei dati del rilevatore di immagini digitali (vedere il video del materiale supplementare per le proprietà del rumore). Nell’immagine 4 ms, dove non si può affermare che il contatto a questa scala di lunghezza scivolerebbe, il colore dell’immagine è più uniforme e deterministico, indicando micro-slittamento e nuovo assestamento del campione sotto carico di taglio. Un micromovimento simile si osserva per l’attrito secco tra le immagini 1 e 2. Questo risultato indica che la sequenza temporale delle immagini su una scala di lunghezza non è sufficiente per giudicare se un contatto è localmente scorrevole o meno, poiché lo scorrimento può avvenire già su una scala di lunghezza inferiore. Quindi, la scala di lunghezza e persino la rugosità superficiale multiscala è essenziale quando si definisce il movimento di scorrimento locale. Questo micromovimento indotto dal taglio potrebbe spiegare il rafforzamento della velocità dell’attrito statico19, che è un fenomeno importante ma spesso trascurato.

Effetto del tempo di sosta

Il μs è noto per essere sensibile al tempo di sosta prima del movimento effettivo20,21,22,23,24, che è molto probabile dall’aumento dell’area di contatto reale in funzione del tempo di contatto. L’effetto del tempo di permanenza sull’attrito statico è stato studiato nel tester di attrito lineare caricando il campione di gomma contro una superficie di vetro asciutto o bagnato con una forza di 400 N per diversi tempi di permanenza che vanno da 2 a 600 s. La figura 4 conferma che il tempo di permanenza ha influenzato sostanzialmente la forza di attrito statico su vetro asciutto. Una tendenza simile si osserva per il caso lubrificato (vetro bagnato). In particolare per il vetro bagnato, il μs è quasi tre volte più alto per un tempo di sosta di 10 minuti rispetto al tempo di sosta di 2 s. L’effetto del tempo di sosta sul vetro asciutto è di una grandezza di forza simile a quella sul vetro bagnato, anche se rappresenta chiaramente una percentuale minore (solo un aumento del 50% da 2 s a 100 min, mentre sul vetro bagnato, il μs raddoppia). È interessante notare che l’attrito statico della gomma dipende fortemente dal tempo di permanenza anche su una superficie di ghiaccio25,26. Quindi, il forte effetto del tempo di permanenza è molto dovuto alla visco-elasticità del materiale di gomma27. La gomma si insinua nella rugosità della superficie, che di conseguenza aumenta l’area di contatto reale quando il tempo di permanenza aumenta28.

Risultati della simulazione FEM

Sono state eseguite simulazioni con il metodo degli elementi finiti (FEM) per studiare lo sviluppo iniziale della forza di taglio dovuta al carico verticale e al taglio. Non intendevamo simulare l’attrito radente estremamente complesso, ma piuttosto le fasi che lo precedono. A differenza dei modelli usati in molti altri studi, il modello usato qui descrive la legge di attrito locale in modo molto semplice (legge di Amontons), ma le proprietà del materiale di massa sono modellate da funzioni di energia di deformazione che sono realistiche per materiali incomprimibili. Questo modello fornisce un chiaro vantaggio rispetto ai modelli costituiti da masse e molle, dove i contatti locali sono descritti in modo più complesso ma empirico.

Un campione di gomma (60 × 60 mm2) è stato premuto contro una superficie di vetro piatta con una condizione limite simile a quella utilizzata negli esperimenti (spostamento prescritto della superficie superiore). Il carico verticale è stato applicato al campione di gomma in piccoli passi per ottenere uno sviluppo e una distribuzione realistici della tensione di taglio iniziale. Dopo il carico, un movimento longitudinale è stato applicato alla parte superiore del campione, anche questo in modo graduale. Le condizioni di carico e la mesh sono mostrate in Fig. 5.

La figura 6 mostra il modello di distacco per la situazione di alto attrito, ad esempio, una coppia gomma-vetro, come nella sezione sperimentale di questo articolo. La figura mostra la pressione di contatto Cp, la pressione di taglio τ e la pressione di taglio normalizzata nelle rispettive righe e i passi di movimento longitudinale nelle colonne. La pressione di contatto è concentrata nella parte centrale del campione e le sollecitazioni di taglio sono concentrate vicino ai bordi del campione. La tensione di taglio è naturalmente zero al centro del campione a causa della simmetria. La pressione di contatto sul bordo anteriore aumenta sostanzialmente, rendendo necessario un aumento della tensione di taglio per provocare il distacco. Al contrario, la pressione di contatto diminuisce sostanzialmente sul bordo d’uscita del campione e, anche se il movimento iniziale diminuisce, la sollecitazione di taglio sul bordo d’uscita (quando la direzione della sollecitazione di taglio iniziale è opposta a quella dello scorrimento, come illustrato nella sezione di discussione) durante i primissimi momenti prima dello scorrimento globale, il distacco inizia dagli angoli posteriori del campione, come osservato nello sviluppo della sollecitazione di taglio normalizzata. Il distacco locale inizia quando la tensione di taglio normalizzata supera il potenziale di attrito locale (μCp(x,y)). L’espansione di Poisson dovuta al carico verticale non causa alcuno scorrimento locale, poiché τN < μ (toni di colore rosso mancanti (τN) nel caso di x = 0).

Si osserva una distribuzione della tensione di taglio iniziale sostanzialmente diversa per una superficie a basso attrito, come mostrato in Fig. 7. Inoltre, la pressione di contatto è distribuita più uniformemente che sul vetro asciutto. Questo risultato è spiegato dallo scorrimento locale dovuto al carico del campione: la restrizione allo scorrimento di una superficie scivolosa è minore di quella su una superficie ad alto attrito. Cioè, il campione può deformarsi in misura maggiore e più liberamente contro la superficie a basso attrito e il livello iniziale di sforzo di taglio è inferiore (rispetto a quello su una superficie ad altoμ). Un fenomeno simile si osserva per i pneumatici che rotolano, dove la lunghezza di contatto è leggermente più lunga su una superficie ghiacciata, che può essere usata per identificare le condizioni di attrito della strada29. Quando un campione inizia a muoversi, vengono introdotte ulteriori sollecitazioni di taglio; tuttavia, poiché mancano le sollecitazioni di picco, il distacco allo scorrimento è più brusco e caotico. È interessante notare che, poiché tutte le regioni di contatto possono essere utilizzate per prevenire lo slittamento, l’attrito statico è più elevato rispetto a quello che si avrebbe se un picco di sollecitazione di taglio puntuale innescasse un’onda di distacco nella fase iniziale dello sviluppo della sollecitazione di taglio. In questo scenario di simulazione, il momento di flessione del campione è minore sulla superficie a basso attrito; quindi, la pressione di contatto non viene alterata tanto quanto nel caso della superficie ad alto attrito. Questa situazione crea effettivamente un’opportunità per controllare il rapporto μs/μd cambiando il modo in cui la forza agisce sul campione1 e l’attrito statico può essere modificato senza cambiare i materiali di contatto.

Le figure precedenti indicano che oltre alla pressione di taglio, anche il coefficiente di attrito influenza la distribuzione della pressione di contatto. Fondamentalmente, su una superficie scivolosa, la gomma sfusa può espandersi lateralmente in misura maggiore perché l’attrito non limita questo movimento. Per un materiale incomprimibile, l’attrito ha anche una forte influenza sulla rigidità verticale del campione, cioè la rigidità del campione in compressione non è puramente una proprietà del materiale. Questa situazione è illustrata nella Fig. 8, dove un campione di gomma viene premuto contro la superficie, con μ che varia da 0 a 2. Il colore indica la forza verticale che agisce sul campione. Per μ maggiore di 0,5, il rapporto ΔFz/Δz è costante perché il campione è completamente attaccato alla superficie e un aumento di μ non cambia effettivamente le condizioni di contatto. Tuttavia, per valori di μ scivolosi (sotto 0,5), appare una forte dipendenza di μ dalla rigidità del campione, ad esempio, il campione è più morbido su una superficie a basso μ. Così, il rapporto di Poisson del materiale influenza la rigidità del materiale in termini di attrito. Di conseguenza, le prove di trazione dei materiali tendono a riflettere meglio le proprietà del materiale alla rinfusa, mentre le prove di compressione sono più dipendenti dalla configurazione della misurazione. Naturalmente, in termini di meccanica del contatto e di attrito, le proprietà del materiale in compressione sono importanti.