Określanie współczynnika tarcia (tarcia adhezyjnego/ślizgowego)

Współczynnik tarcia to fundamentalne pojęcie w fizyce, które mierzy opór stawiany przez dwie powierzchnie podczas ślizgania się względem siebie. Jest to bezwymiarowa wartość, która reprezentuje stosunek siły tarcia do siły nacisku powierzchni.

Istnieją dwa główne rodzaje współczynników tarcia:

• Współczynnik tarcia statycznego: ma zastosowanie, gdy powierzchnie nie poruszają się względem siebie (w spoczynku). Jest on zazwyczaj wyższy niż wartość kinetyczna. Siła tarcia statycznego nie jest stała; jest dostosowywana do wartości maksymalnej. Dlatego, aby ruszyć ciężką skrzynię, potrzeba większej siły niż do utrzymania jej w ruchu.
• Współczynnik tarcia kinetycznego (lub ślizgowego): ma zastosowanie, gdy powierzchnie już się ślizgają względem siebie. Siła tarcia jest w przybliżeniu stała. Zazwyczaj współczynnik tarcia kinetycznego (lub ślizgowego) jest niższy niż współczynnik tarcia statycznego (zwykle o 10–30%), więc obiekty mają tendencję do nieco łatwiejszego przyspieszania po rozpoczęciu ruchu.

Współczynniki różnią się w zależności od chropowatości powierzchni, czystości, smarowania, temperatury i prędkości. Wartości są przybliżone i mogą się znacznie różnić w rzeczywistych warunkach. Oto typowe zakresy (dla suchych powierzchni, o ile nie zaznaczono inaczej):

• Lód na lodzie czy teflon na teflonie: współczynnik tarcia 0,04-0,1 (bardzo ślisko)
• Stal na stali (na sucho): współczynnik tarcia statycznego 0,7-0,8, współczynnik tarcia kinetycznego 0,4-0,6
• Suchy beton na gumie (np. oponach samochodowych): współczynnik tarcia statycznego 0,8-1,0, współczynnik tarcia kinetycznego 0,6-0,8
• Drewno o drewno: współczynnik tarcia statycznego 0,4-0,6, współczynnik tarcia kinetycznego 0,2-0,4
• Metal na metalu (smarowane): współczynnik tarcia kinetycznego można zmniejszyć do 0,05–0,15.

Tarcie jest zaskakująco złożonym zjawiskiem na poziomie mikroskopowym (obejmującym chropowatość powierzchni, przyczepność, a czasem warstwę smaru), dlatego rzeczywiste wartości często wymagają pomiarów eksperymentalnych, a nie opierania się wyłącznie na tabelach.

Współczynnik tarcia pozwala nam wyjaśnić zjawiska zachodzące w życiu codziennym, począwszy od tego, w jaki sposób buty trzymają się podłoża i jak działają hamulce, aż po to, w jaki sposób środki smarne zmniejszają zużycie silników i dlaczego niektóre materiały tworzą dobre powierzchnie antypoślizgowe.

Współczynnik tarcia mierzy się różnymi metodami eksperymentalnymi, stosując precyzyjne, znormalizowane procedury laboratoryjne. Wybór zależy od materiału (np. tworzywa sztuczne, metale, papier, wykładzina podłogowa, guma), od tego, czy potrzebne są wartości statyczne, czy kinetyczne, oraz od wymaganej dokładności.

• Metoda równi pochyłej (powszechnie stosowana w laboratoriach): Ta metoda jest jedną z najprostszych i najbardziej klasycznych metod pomiaru współczynnika tarcia statycznego. Klocek lub przedmiot umieszcza się na płaskiej powierzchni (np. z drewna, metalu lub innego interesującego materiału). Kąt nachylenia płaszczyzny jest stopniowo zwiększany, aż przedmiot zacznie się ślizgać. W momencie rozpoczęcia ślizgania składowa grawitacyjna równoległa do płaszczyzny jest równa maksymalnej sile tarcia statycznego. W przypadku tarcia kinetycznego kąt można dostosować tak, aby przedmiot ślizgał się ze stałą prędkością (wymaga to starannej kontroli lub delikatnych wibracji, aby pokonać efekt stick-slip).
• Metoda poziomego przeciągania/sań (najpopularniejsza metoda przemysłowa): Metoda ta stanowi podstawę wielu norm i wykorzystuje obciążone sanki (lub blok) ciągnięte po powierzchni. Jeden materiał jest przymocowany do ustalonej płaszczyzny poziomej, a drugi do sanek o znanej masie. Za pomocą siłomierza, ogniwa obciążnikowego lub uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej sanki są ciągnięte poziomo ze stałą prędkością. Mierzona jest siła szczytowa wymagana do zainicjowania ruchu (tarcie statyczne) oraz stała siła podczas ślizgania (tarcie kinetyczne). Prędkość jest zazwyczaj kontrolowana (np. 150 mm/min w wielu normach). W badaniach stosuje się maszyny do pomiaru współczynnika tarcia, urządzenia do pomiaru tarcia lub uniwersalne maszyny wytrzymałościowe z osprzętem do pomiaru współczynnika tarcia. Metoda ta jest stosowana w dwóch najczęściej cytowanych normach międzynarodowych:
• Norma „ASTM D1894 Standardowa metoda badania współczynników tarcia statycznego i kinetycznego folii i arkuszy z tworzyw sztucznych” jest powszechnie stosowana do folii opakowaniowych, laminatów i arkuszy. Suwak jest ciągnięty wzdłuż ustalonej płaszczyzny lub w przeciwnym kierunku. Norma ta została później uchylona, ​​ale nadal jest przywoływana.
• Norma „ISO 8295 Tworzywa sztuczne – Folie i płyty – Oznaczanie współczynników tarcia” jest podobna do normy ASTM D1894, ale występują pewne różnice w wielkości próbki, zastosowaniu sprężyn i procedurze. Wyniki nie są bezpośrednio porównywalne między tymi dwiema normami.
• Norma „TAPPI T 549 Wyznaczanie współczynników tarcia statycznego i kinetycznego niepowlekanych papierów do pisania i drukowania metodą płaszczyzny poziomej” opisuje procedurę stosowaną w płaszczyźnie poziomej w celu wyznaczenia współczynników tarcia statycznego i kinetycznego mierzonych podczas ślizgania się papieru po sobie.
• Metoda siły nacisku sprężynowego: Praktyczna odmiana ciągnięcia poziomego. Do obiektu przymocowana jest waga sprężynowa lub cyfrowy siłomierz. Obiekt jest ciągnięty ze stałą prędkością równolegle do powierzchni. Siłę odczytuje się tuż przed rozpoczęciem ruchu (statycznego) oraz podczas stałego poślizgu (kinetycznego). Wynik dzieli się przez siłę nacisku (zazwyczaj ciężaru), aby uzyskać wartość współczynnika tarcia. Ta metoda jest powszechnie stosowana w inspekcjach terenowych.
• Metody oparte na tribometrach (zaawansowane/dostosowane): Nowoczesne tribometrzy zapewniają wysoką dokładność, kontrolę obciążenia, prędkości, medium (suchego, oleistego, temperatury), a czasami także wielokrotne przejścia. Posiadają one mechanizmy typu sworzeń-tarcza, kula-płaszczyzna lub liniowo-posuwisto-zwrotne (np. do metali, powłok, polimerów). Do pomiaru nawierzchni gruntowych/drogowych stosuje się tribometr przenośny. W przypadku odporności na ścinanie stosuje się normę „ASTM E303 Standard test method for measurement surface friction properties using an English pendulum tester”. W przypadku ścinania na mokro/sucho stosuje się normę „ASTM C1679 Standard practice for measurement the hydration kinetics of hydraulic cement blends using an isothermal calorimeter”.

W zastosowaniach przemysłowych stosuje się normy ASTM D1894 lub ISO 8295, wykorzystując specjalistyczne urządzenie do pomiaru współczynnika tarcia, aby uzyskać wiarygodne i powtarzalne dane.

Nasza organizacja, dysponująca kompetentną i doświadczoną kadrą, od wielu lat rozumie potrzeby klientów, oferując im zaawansowane usługi testowe oraz wspierając ich we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie oferujemy również firmom usługi w zakresie wyznaczania współczynnika tarcia (tarcia adhezyjnego/ślizgowego).