Tribologia: attrito, usura e lubrificazione

Ogni volta che due superfici scorrono l’una sull’altra c’è attrito, e quasi sempre c’è usura: un motore, una cerniera, un cuscinetto, perfino le articolazioni del corpo. Lo studio di attrito, usura e lubrificazione si chiama tribologia, e ha conseguenze enormi sull’energia sprecata e sulla durata delle macchine.

Vediamo da dove nasce l’attrito, come si consumano i materiali e perché un sottile film di lubrificante può cambiare completamente il comportamento di un contatto.

Da dove nasce l’attrito

Due superfici che sembrano lisce, viste da vicino, sono piene di asperità: il contatto reale avviene solo sulla punta di queste microsporgenze, su un’area molto più piccola di quella apparente. L’attrito nasce dalle micro-saldature che si formano fra queste punte e dalla forza necessaria a romperle quando le superfici scorrono. Per questo, in prima approssimazione, la forza d’attrito dipende dal carico che preme le superfici e poco dall’estensione apparente del contatto.

Le leggi dell’attrito

Da osservazioni antiche di alcuni secoli si è visto che la forza d’attrito è all’incirca proporzionale al carico e quasi indipendente dall’area apparente di contatto. Il rapporto fra forza d’attrito e carico è il coefficiente di attrito, un numero che dipende dalla coppia di materiali e dallo stato delle superfici. Vale tipicamente attorno a 0,1–1 per metalli asciutti e scende molto quando c’è un buon lubrificante.

Fₜ  =  μ · N   (forza d’attrito = coefficiente × carico)

Come si consumano i materiali

L’usura è la perdita progressiva di materiale dalle superfici che scorrono. Può avvenire per distacco delle micro-saldature (usura adesiva), per il graffiare di particelle dure (usura abrasiva), per fatica superficiale che stacca scaglie, o per reazioni chimiche favorite dallo sfregamento. In generale il volume di materiale perso cresce con il carico e con la distanza percorsa, e diminuisce se le superfici sono più dure: per questo la durezza è una proprietà chiave contro l’usura.

Il ruolo del lubrificante

Interporre un lubrificante fra le superfici cambia tutto: il film di fluido le tiene separate, così che a scorrere non siano più i solidi ma gli strati del liquido, con attrito molto minore e usura quasi nulla. Il comportamento dipende da quanto il film riesce a separare le superfici, ed è descritto da una curva caratteristica che mostra come l’attrito vari al variare di velocità, viscosità e carico.

I tre regimi di lubrificazione

La curva mostra tre situazioni. Nel regime limite, a bassa velocità o alto carico, il film è troppo sottile e le asperità si toccano ancora: l’attrito è alto. Nel regime misto il film comincia a sostenere parte del carico. Nel regime idrodinamico il film è completo e separa del tutto le superfici: l’attrito è minimo e l’usura trascurabile. I cuscinetti ben progettati lavorano proprio in questo regime.

Perché conta tanto

Una quota enorme dell’energia prodotta nel mondo si perde in attrito, e moltissimi componenti vengono buttati non perché rotti ma perché consumati. Migliorare la tribologia — scegliendo coppie di materiali adatte, rivestimenti duri, geometrie e lubrificanti giusti — significa risparmiare carburante, far durare di più le macchine e ridurre i rifiuti. È una disciplina che unisce scienza dei materiali, meccanica e chimica dei lubrificanti, e i suoi progressi hanno un impatto economico e ambientale spesso sottovalutato.

Rivestimenti, materiali e coppie giuste

Buona parte dell’ingegneria tribologica consiste nello scegliere bene la coppia di materiali che lavorano a contatto e nel proteggerne le superfici. Due metalli uguali tendono a saldarsi fra loro e a usurarsi rapidamente; per questo nei contatti striscianti si accoppiano spesso materiali diversi, o si interpone uno strato più morbido che fa da sacrificio. Sulle superfici più sollecitate si applicano rivestimenti duri, sottili strati di materiali resistentissimi che riducono attrito e usura senza appesantire il pezzo: è ciò che protegge le punte degli utensili da taglio e molti componenti dei motori. Un’altra strada è la texturizzazione, cioè incidere microscopiche tasche sulla superficie che trattengono il lubrificante e aiutano a mantenere il film. Anche la scelta del lubrificante è una questione fine: deve avere la viscosità giusta per formare il film alle condizioni di lavoro, resistere alle alte temperature e spesso contiene additivi che reagiscono con la superficie creando strati protettivi. Mettere insieme materiali, rivestimenti, geometria e lubrificante adatti è ciò che permette a un cuscinetto o a un ingranaggio di durare milioni di cicli invece di consumarsi in poche ore.

Domande frequenti

Che cos’è la tribologia?

È la scienza che studia attrito, usura e lubrificazione fra superfici in contatto e in moto relativo. Si occupa di tutto ciò che scorre o ruota, dai cuscinetti dei motori alle protesi articolari, con grandi ricadute su consumi energetici e durata delle macchine.

Da dove nasce l’attrito?

Dal contatto reale fra le asperità delle superfici, che avviene solo su punte microscopiche. Fra queste si formano micro-saldature, e l’attrito è la forza necessaria a romperle durante lo scorrimento. Per questo dipende soprattutto dal carico e poco dall’area apparente.

Che differenza c’è fra attrito e usura?

L’attrito è la forza che si oppone allo scorrimento; l’usura è la perdita progressiva di materiale dalle superfici. Sono fenomeni legati ma distinti: si può avere attrito alto con poca usura, o usura forte anche con attrito moderato.

Come riduce l’attrito un lubrificante?

Forma un film fluido che separa le superfici: a scorrere sono gli strati del liquido invece dei solidi a contatto. Quando il film è completo, regime idrodinamico, attrito e usura diventano minimi. È il principio su cui lavorano i cuscinetti dei motori.

Perché la durezza protegge dall’usura?

Perché una superficie più dura resiste meglio al graffiare delle particelle e al distacco delle micro-saldature. Il volume di materiale perso, a parità di carico e distanza, diminuisce all’aumentare della durezza: per questo si usano rivestimenti duri sulle parti soggette a usura. Va ricordato però che una superficie troppo dura può essere anche più fragile, perciò la scelta è sempre un equilibrio fra resistenza all’usura e tenacità.