Incl. de deslizamento por fricção do contacto borracha-vidro em condições secas e lubrificadas

p> A configuração experimental compreendendo um testador de fricção linear, um sensor de força com amostra de borracha, um substrato de vidro e uma câmara de alta velocidade.

Borracha sobre vidro seco

Figure 2 mostra como se desprende um bloco de borracha estática para começar a deslizar. São dadas curvas de força para diferentes cargas e é mostrada uma sequência de imagem para uma carga de 600 N (0,166 N/mm2). O desprendimento é claramente iniciado a partir dos cantos posteriores da área de contacto (imagem 3, 0,02 s) e continuado por um desprendimento dos lados e da parte posterior (imagem 4, 0,03 s). A última área a aderir ao vidro é a área do meio da borracha após o desprendimento do bordo dianteiro (imagens 4-5, 0,03-0,05 s). O desprendimento completo é observado após 0,05 s, onde a curva de força mostra também convergência em fricção deslizante constante.

Processo de descolamento de borracha sobre vidro seco.

p>O bloco de borracha está a mover-se para a direita. A figura da linha mostra quatro caixas de carga diferentes e as imagens mostram a caixa de carga de 600 N (os pontos pretos indicam instantâneo da imagem). Uma fotografia real de alta velocidade está no fundo da imagem e sobreposta por um mapa a cores para indicar o movimento local. Um vídeo é fornecido no material suplementar.

O início da curva de força indica uma transição suave da situação estática para o deslizamento sem qualquer valor de pico identificável que possa ser considerado μs. Além disso, a rampa de força não mostra precursores de deslizamento quando amostrada a 10 000 Hz. O coeficiente de atrito é claramente menor para as cargas de 600 N e 800 N, indicando a dependência esperada da carga. Todas as cargas e repetições mostraram padrões de desprendimento semelhantes. Durante uma das várias sessões de teste, a amostra foi ligeiramente alinhada com a superfície de vidro, o que resultou num desprendimento do outro canto posterior. Contudo, a área de colagem final ainda estava no meio do contacto.

O tempo de descolamento completo depende claramente da carga; contudo, o instante exacto de tempo para conseguir um deslizamento global completo é difícil de identificar (a partir dos dados de força ou dos dados de imagem).

Rubber no vidro húmido

Figure 3 mostra a propagação do descolamento no vidro húmido (com parâmetros de teste semelhantes aos do vidro seco). A sequência da imagem DIC mostra como o contacto é rasgado muito abruptamente para permitir o deslizamento dentro de alguns milissegundos. A área de contacto completa já está a deslizar a 0,016 s, enquanto a mesma amostra ainda não começou a descolar-se claramente no vidro seco (Fig. 2). O padrão de descolamento no vidro húmido é muito caótico e mesmo a partir dos dados da imagem em bruto (não mostrados), não é possível identificar um padrão de descolamento semelhante ao observado no caso do vidro seco.

Processo de descolamento de borracha sobre vidro húmido para quatro caixas de carga diferentes.

p>Video é fornecido no material suplementar.

A curva de força mostra um valor de pico claro, que tradicionalmente seria o μs. A rampa de força não mostra precursores claros, mas estes são ocasionalmente observados na configuração de medição e mais frequentemente para a superfície húmida do que para a seca. Uma característica interessante é observada quando se comparam as imagens 1 e 2. A imagem 1 mostra pontos distribuídos aleatoriamente, o que é ruído devido à análise numérica dos dados do detector de imagem digital (ver material suplementar vídeo para propriedades de ruído). Na imagem 4 ms, onde não se pode afirmar que o contacto a esta escala de comprimento deslize, a cor da imagem é mais uniforme e determinista, indicando microdeslizamento e novo assentamento da amostra sob carga de cisalhamento. Observa-se um micro-movimento semelhante para o atrito seco entre as imagens 1 e 2. Este resultado indica que a sequência temporal de imagens numa escala de comprimento não é suficiente para julgar se um contacto desliza localmente ou não, uma vez que o deslizamento pode já ocorrer numa escala de comprimento mais curta. Assim, a escala de comprimento e mesmo a rugosidade superficial multi-escala é essencial para definir o movimento de deslizamento local. Este micro-movimento induzido pelo cisalhamento pode explicar o reforço da velocidade do atrito estático19, que é um fenómeno importante mas frequentemente negligenciado.

Efeito do tempo de permanência

O μs é conhecido por ser sensível ao tempo de permanência antes do movimento real20,21,22,23,24, o que é muito provavelmente devido ao aumento da área de contacto real em função do tempo de contacto. O efeito do tempo de espera no atrito estático foi estudado no testador de atrito linear carregando a amostra de borracha contra uma superfície de vidro seco ou húmido com uma força de 400 N para diferentes tempos de espera entre 2 a 600 s. A figura 4 confirma que o tempo de espera influenciou substancialmente a força de atrito estático no vidro seco. Observa-se uma tendência semelhante para a caixa lubrificada (vidro molhado). Em particular para o vidro húmido, o μs é quase três vezes mais elevado para um tempo de espera de 10 minutos do que para o tempo de espera de 2 s. O efeito do tempo de permanência no vidro seco é de uma magnitude de força semelhante à do vidro húmido, embora represente claramente uma percentagem menor (apenas um aumento de 50% de 2 s para 100 min, enquanto no vidro húmido, o μs duplica). Curiosamente, a fricção estática da borracha depende fortemente do tempo de permanência, mesmo numa superfície de gelo25,26. Assim, o forte efeito do tempo de permanência deve-se muito à visco-elasticidade do material de borracha27. A borracha está a infiltrar-se na rugosidade da superfície, o que consequentemente aumenta a área real de contacto quando o tempo de espera aumenta28.

Influência do tempo de espera na força de atrito estático em superfícies secas e húmidas.

Resultados da simulação de FEM

Simulações do método de elementos finitos (FEM) foram realizadas para estudar o desenvolvimento inicial da força de cisalhamento devido à carga vertical e de cisalhamento. Não pretendíamos simular o atrito de deslizamento extremamente complexo, mas sim as fases anteriores ao mesmo. Ao contrário dos modelos utilizados em muitos outros estudos, o modelo aqui utilizado descreve a lei de fricção local de uma forma muito simples (lei de Amontons), mas as propriedades do material a granel são modeladas por funções de energia de tensão que são realistas para materiais incompressíveis. Este modelo oferece uma clara vantagem sobre os modelos que consistem em massas e molas, onde os contactos locais são descritos de forma mais complexa mas empírica.

Uma amostra de borracha (60 × 60 mm2) foi pressionada contra uma superfície de vidro plano com uma condição de contorno semelhante à utilizada nas experiências (deslocamento prescrito da superfície superior). A carga vertical foi aplicada à amostra de borracha em pequenos passos para obter um desenvolvimento e distribuição realista da tensão de corte inicial. Após a carga, foi aplicado um movimento longitudinal à parte superior da amostra, também por etapas. As condições de carga e a malha são mostradas na Fig. 5.

(a) A geometria FEM tridimensional com malha; o bloco superior é a amostra de borracha e o bloco inferior é uma superfície rígida e fixa. (b) A amostra de borracha (no meio) é carregada verticalmente em passos pelo deslocamento prescrito e a carga de cisalhamento é subsequentemente aplicada em passos. Os deslocamentos actuam sobre a superfície superior da amostra de borracha.

Figure 6 mostra o padrão de descolamento para a situação de alta fricção, por exemplo, um par de material de borracha e vidro, como na secção experimental deste artigo. A figura mostra a pressão de contacto Cp, a pressão de cisalhamento τ e a pressão de cisalhamento normalizada nas respectivas filas e os passos do movimento longitudinal nas colunas. A pressão de contacto é concentrada na parte central da amostra e as tensões de cisalhamento são concentradas perto dos bordos da amostra. A tensão de cisalhamento é naturalmente zero no meio da amostra, devido à simetria. A pressão de contacto no bordo de ataque aumenta substancialmente, necessitando de uma tensão de cisalhamento crescente para originar o desprendimento. Pelo contrário, a pressão de contacto diminui substancialmente no bordo de fuga da amostra e, mesmo que o movimento inicial diminua, a tensão de cisalhamento no bordo de fuga (quando a direcção da tensão de cisalhamento inicial é oposta à do deslizamento, como ilustrado na secção de discussão) durante os primeiros momentos antes do deslizamento global, o desprendimento inicia-se a partir dos cantos posteriores da amostra, como observado no desenvolvimento normalizado da tensão de cisalhamento. O desprendimento local é iniciado quando a tensão de corte normalizada excede o potencial de fricção local (μCp(x,y)). A expansão de Poisson devido à carga vertical não causa qualquer deslizamento local, como τN < μ (falta de tons de cor vermelha (τN) no caso de x = 0).

Deslizamento de alta fricção (μ = 2).

A primeira, segunda e terceira filas mostram a pressão de contacto Cp para o movimento longitudinal crescente X, a tensão de corte τ e a tensão de corte normalizada , respectivamente.

Observa-se uma distribuição de tensão de corte inicial substancialmente diferente para uma superfície de baixa fricção, como se mostra na Fig. 7. Além disso, a pressão de contacto é distribuída de forma mais uniforme do que no vidro seco. Este resultado é explicado pelo deslizamento local devido ao carregamento da amostra: a restrição de uma superfície escorregadia ao deslizamento é menor do que a de uma superfície de alto atrito. Ou seja, a amostra pode deformar-se em maior medida e mais livremente contra a superfície de baixo atrito e o nível inicial de tensão de cisalhamento é mais baixo (do que numa superfície de altaμ). Um fenómeno semelhante é observado para pneus de rolamento, onde o comprimento de contacto é ligeiramente mais longo numa superfície gelada, que pode ser utilizada para identificar as condições de atrito da estrada29. Quando uma amostra começa a deslocar-se, são introduzidas tensões de cisalhamento adicionais; contudo, como faltam as tensões de pico, o desprendimento ao deslizamento é mais abrupto e caótico. Curiosamente, porque todas as regiões de contacto podem ser utilizadas para evitar o deslizamento, a fricção estática é mais elevada do que se um pico de tensão de cisalhamento pontual desencadeasse uma onda de descolamento na fase inicial do desenvolvimento da tensão de cisalhamento. Neste cenário de simulação, o momento de flexão da amostra é menor na superfície de baixa fricção; assim, a pressão de contacto não é alterada tanto como no caso da superfície de alta fricção. Esta situação cria efectivamente uma oportunidade de controlar a relação μs/μd, alterando a forma como a força actua sobre a amostra1 e o atrito estático pode ser modificado sem alterar os materiais de contacto.

Desprendimento de baixa fricção (μ = 0,4).

A primeira, segunda e terceira filas mostram a pressão de contacto Cp para o crescente movimento longitudinal X, a tensão de corte τ e a tensão de corte normalizada , respectivamente.

Os números anteriores indicam que, além da pressão de cisalhamento, o coeficiente de fricção também afecta a distribuição da pressão de contacto. Basicamente, numa superfície escorregadia, a borracha a granel pode expandir-se lateralmente em maior grau porque a fricção não restringe este movimento. Para um material incompressível, o atrito também tem uma forte influência na rigidez vertical da amostra, ou seja, a rigidez da amostra em compressão não é uma propriedade meramente material. Esta situação é ilustrada na figura 8, onde uma amostra de borracha é pressionada contra a superfície, com μ a variar de 0 a 2. A cor indica a força vertical que actua sobre a amostra. Para μ superior a 0,5, a razão ΔFz/Δz é constante porque a amostra está totalmente colada à superfície e um aumento em μ não altera realmente as condições de contacto. Contudo, para valores escorregadios de μ (abaixo de 0,5), aparece uma forte dependência de μ da rigidez da amostra, por exemplo, a amostra é mais macia numa superfície de baixaμ. Assim, a razão de Poisson do material afecta a rigidez do material a granel também em termos de fricção. Como consequência, os testes de tracção dos materiais tendem a reflectir melhor as propriedades do material a granel, enquanto que os testes de compressão dependem mais da configuração da medição. Naturalmente, em termos de mecânica de contacto e fricção, as propriedades do material em compressão são importantes.

Força de contacto vertical Fz em função do coeficiente de atrito e deslocamento vertical z sob compressão (a partir de FEM).

A figura indica a forte interligação da rigidez da amostra (ΔFz/Δz) e μ em superfícies escorregadias (μ < 0.5).