Determinación de la fricción y del coeficiente de fricción de los valores de fricción de los materiales

El coeficiente de fricción es una variable física derivada del campo de la tribología para la fricción entre dos objetos. El coeficiente de fricción establece la fuerza que se produce durante la fricción (fuerza de fricción) en relación con la fuerza con la que se presionan los objetos juntos (fuerza de presión). Por lo tanto, el coeficiente de fricción es un parámetro importante al examinar el desgaste del material y las propiedades de deslizamiento. Este artículo explica los conceptos básicos del coeficiente de fricción, sus métodos de medición y sus aplicaciones en tecnología.

¿Qué es la fricción en seco?

La fricción general es la resistencia entre dos superficies sólidas y retrasa el movimiento relativo en la dirección opuesta.

La fricción en seco es un tipo especial de fricción cuando no hay lubricante o líquido entre las superficies. La fricción en seco depende en gran medida de la rugosidad de las superficies de contacto.

Cuando entran en juego líquidos o lubricantes, se denomina fricción en líquido. Sin embargo, en otros medios (por ejemplo, aire o agua), se denomina fricción de aire o fricción de flujo.

La fricción puede observarse en muchas aplicaciones y situaciones industriales, como el giro de un tornillo en una rosca interna. O cuando las tuercas roscadas se mueven a lo largo de un accionamiento de husillo (p. ej., en impresión en 3D). El objetivo suele ser minimizar la fricción y, por lo tanto, aumentar la resistencia al desgaste del sistema.

Tipos de fricción en seco

La fricción en seco puede dividirse en dos categorías:

• Fricción estática: La fricción estática se produce cuando las dos superficies están en contacto pero aún no se han movido entre sí.
• Fricción dinámica: La fricción dinámica se produce cuando una fuerza externa es lo suficientemente grande como para iniciar el movimiento entre dos superficies.

Estas dos categorías de fricción en seco muestran un comportamiento diferente.

Fricción estática

La fricción estática (también conocida como fricción adhesiva) se produce cuando la fuerza aplicada no es lo suficientemente grande como para iniciar el movimiento y el objeto permanece estático en equilibrio.

Cálculo de la fuerza de fricción estática

El coeficiente de fricción estática (μ_s) describe la relación entre la fuerza normal (F_N) y la fuerza de reacción resultante o fricción adhesiva (F_H) antes de que comience el movimiento, es decir, en posición de reposo:

Lo siguiente se aplica a la fuerza normal en el plano inclinado con ángulo de fricción:

Lo siguiente se aplica a la fuerza normal en el plano sin ángulo de fricción:

El coeficiente de fricción siempre es unitario y se determina experimentalmente. En la mayoría de los casos, ya se han determinado los coeficientes de fricción de diversos emparejamientos de materiales (p. ej., acero sobre acero) y se pueden encontrar en publicaciones especializadas relevantes; consulte también “Materiales y tabla con coeficientes de fricción”.

Fricción dinámica

La fricción dinámica (también conocida como fricción cinética) se produce cuando la fuerza aplicada es lo suficientemente grande como para poner el objeto en movimiento.

Cálculo de la fuerza de fricción dinámica

El coeficiente de fricción dinámico (μ_d) describe la relación entre la fuerza de fricción (F_R) y la fuerza normal (F_N) durante el movimiento entre las superficies:

Lo siguiente se aplica a la fuerza normal en el plano inclinado con ángulo de fricción:

Lo siguiente se aplica a la fuerza normal en el plano sin ángulo de fricción:

El coeficiente de fricción siempre es unitario y se determina experimentalmente. En la mayoría de los casos, ya se han determinado los coeficientes de fricción de diversos emparejamientos de materiales (p. ej., acero sobre acero) y se pueden encontrar en publicaciones especializadas relevantes; consulte también “Materiales y tabla con coeficientes de fricción”.

Determinación experimental de coeficientes de fricción y valores de fricción

Los coeficientes de fricción para la fricción estática y la fricción dinámica deben determinarse experimentalmente, ya que dependen de varios factores como la textura y rugosidad de la superficie, la velocidad de movimiento y las condiciones ambientales.

La determinación experimental de los coeficientes de fricción y los valores de fricción requiere la ejecución precisa de las pruebas de fricción en condiciones controladas.

• Diseñe una configuración de prueba adecuada que permita que dos muestras o superficies de material se rocen entre sí. La configuración debe permitir aplicar una fuerza o peso externo para iniciar la fricción y controlar el movimiento.
• Seleccione los materiales para los que desea determinar el coeficiente de fricción y asegúrese de que las superficies estén limpias y sin contaminación. Las superficies deben proporcionar una reproducción representativa de las condiciones de aplicación reales.
• Prepare cuidadosamente las superficies de las muestras de material para minimizar las irregularidades debidas a la contaminación. Las superficies limpias contribuyen a obtener resultados reproducibles.
• Compruebe las condiciones ambientales y manténgalas constantes en cada prueba realizada. Realice las pruebas en entornos controlables donde se puedan mantener la mayor cantidad posible de factores ambientales constantes. Esto afecta principalmente a la presión de aire (Δp constante), la temperatura (ΔT constante) y la humedad.
• Realice las pruebas de fricción. Mida las fuerzas aplicadas y las fuerzas de reacción resultantes o las fuerzas de fricción mientras se produce el movimiento o cuando intenta iniciar el movimiento.
• Repita las pruebas de fricción varias veces para obtener datos significativos.
• Calcule los coeficientes de fricción (μ_s y μ_d) basándose en los datos medidos. Utilice las fórmulas adecuadas para calcular los coeficientes de fricción o para determinar los valores de fricción para la combinación de materiales seleccionada. Observe también las condiciones ambientales.

Durante la prueba, mida las siguientes fuerzas:

• Mida la fuerza de fricción estática en el medidor de fuerza del resorte poco antes de poner el objeto en movimiento.
• Mida la fuerza de fricción deslizante en el medidor de fuerza del resorte mientras el objeto se mueve.

A continuación, calcule los coeficientes de fricción:

La medición de la precisión y la sensibilidad son decisivas para obtener datos precisos. Los coeficientes de fricción determinados pueden depender en gran medida de las condiciones específicas de la aplicación.

La determinación experimental de los valores de fricción puede llevar mucho tiempo y ser costosa. Sin embargo, es esencial mejorar la comprensión de las propiedades de fricción de los materiales y desarrollar aplicaciones técnicas eficientes. Se requiere una planificación cuidadosa, una ejecución precisa y una evaluación estadística para lograr resultados precisos y fiables.

Importancia de la fricción en aplicaciones industriales

La fricción desempeña un papel primordial en una variedad de aplicaciones industriales y es un fenómeno físico fundamental que no solo aporta ventajas, sino también dificultades.

En muchos sistemas técnicos, como motores, unidades de engranajes o cojinetes, es necesario controlar o minimizar la fricción para reducir las pérdidas de energía y el desgaste, y mejorar la eficiencia.

• Sistemas de control de movimiento y frenado: La fricción se utiliza en los sistemas de frenado para controlar y ralentizar el movimiento de las máquinas. La explotación específica de las propiedades de fricción permite un control y seguridad precisos.
• Fricción adhesiva y estabilidad: En muchas aplicaciones, como estar de pie sobre una superficie inclinada, la fricción estática es crucial para garantizar la estabilidad y evitar el deslizamiento.
• Desgaste del material y vida útil: La fricción puede causar desgaste del material, lo que puede reducir la vida útil de los componentes. Es importante comprender las propiedades de fricción para minimizar el desgaste y maximizar la vida útil de los componentes.
• Selección del material: El conocimiento de las propiedades de fricción de los materiales es crucial a la hora de seleccionar materiales para aplicaciones específicas. Los valores de fricción deben tenerse en cuenta para seleccionar combinaciones de materiales óptimas para fines específicos.
• Lubricación: Una lubricación eficiente es crucial para reducir la fricción y el desgaste en muchos sistemas mecánicos y prolongar su vida útil.

Efecto de la fricción sobre el desgaste

La mayoría de las aplicaciones industriales tienen los siguientes objetivos:

• Minimizar el desgaste
• Maximizar la eficiencia del sistema
• Maximizar la vida útil del sistema

La fricción, la lubricación, la rugosidad y el desgaste forman un sistema dinámico e interdependiente.

Se están explorando los antecedentes científicos de fricción y desgaste en el campo de la tribología, la enseñanza de fricción, lubricación y desgaste en los componentes. Todas las aplicaciones industriales, en las que componentes mecánicos trabajan juntos o se tocan, pueden considerarse un sistema tribológico.

Deben tenerse en cuenta las interacciones mutuas, especialmente en aplicaciones a largo plazo:

• La temperatura y otras condiciones ambientales pueden afectar las propiedades de fricción. A temperaturas más altas, los materiales pueden ablandarse, lo que puede provocar cambios en la fricción. Por otro lado, una temperatura alta también puede provocar un fallo del lubricante o un mayor desgaste.
• El desgaste de las superficies de contacto (p. ej., abrasión) puede influir en las propiedades de fricción a largo plazo. Si el material se desgasta o se desprende de las superficies de contacto, esto puede provocar un cambio en los factores de fricción. Un mayor desgaste también puede provocar un aumento de la fricción y deterioro del rendimiento.
• La lubricación, ya sea en forma de líquidos o sólidos, desempeña un papel importante de influencia en la fricción. Una lubricación adecuada puede reducir la fricción y minimizar el desgaste. Sin embargo, una lubricación deficiente o la falta de lubricación pueden aumentar la fricción y el desgaste.

En todas las aplicaciones industriales, es importante tener en cuenta las interacciones y llevar a cabo comprobaciones periódicas del desgaste.

Medidas para aumentar la fricción

En algunas aplicaciones industriales puede ser importante aumentar la fricción de los componentes. Por ejemplo, para evitar que se aflojen las conexiones de los tornillos.

Para aumentar la fricción, se aplican las siguientes medidas, por ejemplo:

• Aumentar la aspereza o la rugosidad de la superficie: El aumento de la rugosidad de una superficie puede aumentar la fricción. Una posibilidad de aumento de la rugosidad es el llamado granallado (p. ej., granallado con barrido) en el que la superficie se modifica directamente. Otra opción es el tratamiento de la superficie, en el que se aplica un revestimiento al material base, por ejemplo a través de la galvanización en caliente.
• Usar aditivos de fricción: Se pueden añadir aditivos a ciertos aceites de máquina para aumentar la fricción.
• Usar adhesivos o almohadillas: La aplicación de adhesivos o almohadillas puede aumentar la fricción. La cinta de teflón o el líquido de bloqueo de roscas es adecuado, por ejemplo, en conexiones de tornillo. Estos agentes también pueden tener un efecto de sellado.

Materiales y tabla con coeficientes de fricción

A continuación se muestra una descripción general de los coeficientes de fricción en seco de pares de materiales típicos.