Riassunto analitico
L’attrito, e più in generale la tribologia delle superfici rappresenta un aspetto particolarmente importante di ogni sistema fisico contenente parti in movimento.
In particolare, lo studio delle proprietà tribologiche del ghiaccio rappresenta una sfida rilevante, sia per le molte peculiarità del materiale interessato e per il grande numero di applicazioni tecnologiche che richiedono la sua comprensione.
Una buona conoscenza e controllo dei meccanismi alla base del moto strisciante su superfici di ghiaccio sono richiesti da un’ampia varietà di applicazioni: traffico su strada in condizioni invernali, trasporti navali su mari ghiacciati, applicazioni offshore, design di rompighiaccio, installazioni in regioni polari e sport invernali sono alcune delle applicazioni più rilevanti. Per comprendere l’importanza della comprensione dei fenomeni collegati all’attrito su ghiaccio, basti pensare che il 70% della potenza di un rompighiaccio è dissipata dalla resistenza frizionale del ghiaccio, mentre nel pattinaggio su ghiaccio l’interazione ghiaccio-pattino è responsabile del 20% delle dissipazioni energetiche durante il moto. Nonostante che in questi casi l’obiettivo della ricerca sia la riduzione della forza di attrito esercitata dal ghiaccio, situazioni differenti possono richiederne un aumento, come nel caso delle suole delle scarpe o delle gomme da auto.
Il ben noto basso coefficiente di attrito del ghiaccio è dovuto alla formazione di uno strato di acqua sulla sua superficie, che svolge il ruolo di lubrificante. La differenza principale con il “normale” moto strisciante lubrificato, ampiamente studiato in tribologia, è proprio la fonte del lubrificante. Nel caso del ghiaccio il lubrificante è “prodotto” dal ghiaccio stesso. Per questa ragione la descrizione del sistema è più complicata. Inoltre la proprietà dello strato lubrificante dipendono dalle condizioni della superficie di ghiaccio e del sistema tribologico, come: temperatura, velocità di scorrimento, pressione, area di contatto e il coefficiente di attrito stesso. Per di più molte delle quantità citate non sono indipendenti tra di loro.
In questo lavoro un’interfaccia ghiaccio-acciaio è stata scelta come oggetto di studio principale. L’attenzione è stata posta sulla comprensione del ruolo della rugosità superficiale della controparte nella determinazione delle proprietà tribologiche del ghiaccio. A questo scopo diverse superfici di acciaio, con differenti gradi di rugosità casuale, sono state analizzate usando un tribometro pin-on-disc per le misure di attrito.
Gli esperimenti sono stati eseguiti su due differenti tribometri a bassa e alta velocità, raggiungendo valori di velocità tangenziale di 65 m/s (valori così alti non sono presenti in letteratura). Grazie a questi test la transizione tra differenti regimi di lubrificazione è stata osservata.
Parallelamente al lavoro sperimentale è stato sviluppato anche un modello teorico. L’influenza della rugosità superficiale è stata inclusa nella descrizione del processo tribologico. Il ruolo di differenti parametri di rugosità è stato distinto, e le quantità riportate nel modello sono state collegate a parametri reali misurati sulle superfici impiegate negli esperimenti. In questo modo il modello ottenuto può essere usate per prevedere il comportamento tribologico di sistemi ”appropriati”. Questo è ovviamente un potente strumento per applicazioni che coinvolgono il contatto tra superfici di ghiaccio e materiali duri aventi una certa rugosità.
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Abstract
Friction and more in general tribology of surfaces represent an extremely important concern in every physical system involving moving parts.
In particular, the study of the frictional properties of ice represents a strong challenge, both for the many peculiarities of the material involved and for the large number of technological applications demanding its comprehension.
A good knowledge and control of the mechanisms underlying the sliding motion over ice surfaces is required by a broad field of applications: motorized traffic on winter roads conditions, naval transportations over frozen seas, offshore structures, ice breakers design, installation in polar regions and winter sports are some of the most demanding applications. In order to understand the relevance of the phenomena related to ice friction, it is sufficient to know that 70% of the power of an ice breaker is consumed to overcome the frictional resistance of ice, while during speed-skating the ice-skate interaction is responsible of the 20% of the energy losses during the motion. Although in these cases the goal of the research is the reduction of the frictional force exerted by ice, different situations can require an increase of it, as in the case of the grip of shoe soles or car tires.
The common and well-known low Coefficient of Friction of ice is due to the formation of a water layer on its surface. This water layer works as a lubricant. The main difference with the “normal” lubricated sliding motion, largely studied in tribology, is therefore the source of the lubricant. In the case of ice the lubricant is “produced” by the ice itself. For this reason the description of the system is quite complicated. Indeed the properties of the ice lubricant layer depend on the conditions of the ice surface and of the tribological system, meaning: temperature, sliding velocity, pressure, contact area and the coefficient of friction itself. Furthermore most of the cited quantities are not independent to each other.
In this work an ice-steel interface was chosen as main case study. The focus was put on the comprehension of the role of the surface roughness of the counterbody in the determination of the tribological properties of ice. For this purpose different steel surfaces, with different random surface roughness, were analyzed using pin-on-disc tribometers for friction measurements. Experiments were performed on two different instruments at low and high velocity, reaching values of tangential speed up to 65 m/s (such high values are not present at all in literature). Thanks to these tests the continuous transition between different lubrication regime was examined.
Parallel to the experimental work a theoretical model was also developed. The influence of the surface roughness was included into the description of the tribological process. The role of different roughness parameters was distinguished, and the quantities reported in the model were connected with the real parameters measured on the surfaces employed in the experiments. So the resulting model can be used to predict the tribological behavior of “suitable” real systems. This is clearly a powerful tool for applications involving contacts between ice and hard rough surfaces.
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