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Sobre as leis fundamentais que regem as forças de atrito

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Seminário proferido na Universidade de Caxias do Sul em junho de 2017 para estudantes de graduação e pós-graduação pelo prof. Carlos A. Figueroa, pesquisador da seção UCS do Instituto.

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Sobre as leis fundamentais que regem as forças de atrito

  1. 1. Sobre as leis fundamentais que regem as forças de atrito Prof. Carlos A. Figueroa Laboratório de Caracterização de Superfícies em NanoEscala Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências dos Materiais Área do Conhecimento de Ciências Exatas e Engenharias Universidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul, RS, Brasil.
  2. 2. Mas, o que seriam as forças de atrito? Definição: Atrito é a força de resistência ao movimento relativo de superfícies sólidas, camadas fluídas e elementos materiais se deslizando um contra o outro.
  3. 3. E sem forças de atrito, aconteceria isto aqui: Uma simples caminhada não aconteceria sem as forças de atrito!
  4. 4. http://climate.nasa.gov/climate_resources/139/ CAI, M. et al. 2013// 2013. 75% da energia mundial é produzida a partir de combustíveis fósseis; Preocupações globais: • a solução para escassez energética; • a redução da emissão de gases do efeito estufa no que condiz as rígidas normas de regulamentação ambiental; Anomalias da temperatura global de 1947 e 2015. Mas, por que estudar as forças de atrito?
  5. 5. Soluções: Fontes de energias alternativas; Melhora da eficiência energética; O caminho de maior eficiência energética: pesquisa e desenvolvimento em engenharia e ciência de superfícies (por exemplo, atrito). Perdas energéticas na transferência de movimento: fenômenos tribológicos HOLMBERG, K. et al. 2014. TAYLOR, R. I. 2012. Mas, por que estudar as forças de atrito?
  6. 6. Primeiros tribólogos: Leonardo da Vinci, Guillaume Amontons (1663-1705), John Theophilius Desanguliers (1683-1744), Leonard Euler (1707-1783) e Charles-Augustin Coulomb (1736- 1806). Trabalhos do Leonardo da Vinci sobre a resistência ao movimento em termos estáticos e dinâmicos
  7. 7. Guillaume Amontons (1663-1706) 1ª Lei do Atrito: A força de atrito é proporcional à força normal; e 2ª Lei do Atrito: A força de atrito é independente da área aparente de contato. Charles-Augustin de Coloumb (1736-1806) 3ª Lei do Atrito: A força de atrito é independente da velocidade de deslizamento. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020768315000323 Outras teorias surgiram baseadas na mecânica de contato (~ 1950) Bowden e Tabor. tensão de cisalhamento das asperezas raio da curvatura das asperezas módulo de Young reduzido Um pouco de história das leis do atrito (todas fenomenológicas):
  8. 8. Correlaciona o fenômeno de atrito cinético macroscópico com eventos de desgaste em nanoescala (simulação teórica): (*)S. J. Eder et al. Phys. Rev. Let., 115 (2015) 025502 Termo de Derjaguin Lei de Amontons-Coulomb Força de atrito Termo de Bowden-Tabor A mais nova expressão para força de atrito cinético (fenomenológica)(*):
  9. 9. Fenômeno de atrito. Indo do macro ao nano: O desafio passa por interpretar as propriedades macroscópicas que determinam o coeficiente de atrito com os conceitos básicos como forças de atração e repulsão, rigidez e energia de ligação química, fônons, banda eletrônica, etc. Razão q(carga)/r(raio) e coeficiente de atrito vs. tipo de óxido(*) Lembram de Química Inorgânica? (*) A. Erdemir, Surf. Coat. Techn. 200 (2005) 1792.
  10. 10. Fenômeno de atrito. Indo do macro ao nano (*): (*) Y. Mo et al., Nature 457, 1116–1119 (2009). R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318. Um nano-mundo fascinante!
  11. 11. Os modelos do fenômeno de atrito em nanoescala(*): Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito É um trabalho de microscopia de força atômica...é a camada mais externa. Não uma interação com o volume do material. (*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.
  12. 12. Aqui estão os fônons! Os fônons são oscilações coletivas em uma arranjo periódico e elástico de átomos ou moléculas em estado sólido e em alguns líquidos. O fônon é uma descrição mecano-quântica de um movimento vibracional elementar no qual uma célula unitária de átomos ou moléculas oscila uniformemente em uma frequência determinada. Em mecânica clássica, essa oscilação é conhecida como modo normal. Enquanto um modo normal possui uma interpretação de fenômeno ondulatório, o fônon possui propriedades de onda e partícula, uma dualidade típica da mecânica quântica.
  13. 13. A supercondutividade diminui o coeficiente de atrito em metais(1,2) Energia requerida para quebrar um par de Cooper ∼ 10-4 eV Energia típica dos fônons acústicos ∼ 10-6 eV Contribuição via estados eletrônicos: Nb supercondutor Modelo de amortecimento ôhmico (1)J. Krim, Adv. in Phys. 155-323 (2012) 61. (2)M. Kisiel et al., Nature Mat. 119-122 (2011) 10.
  14. 14. (*) T. A. L. Burgo et al., Sci. Rep. 3 (2013) 2384. Cargas eletrostáticas em polímeros (PTFE) podem controlar o coeficiente de resistência ao rolamento (CoRR).(*) Bolinhas de vidro = superfície hidrofílica Bolinhas de vidro silanizadas = superfície hidrofóbica Contribuições via cargas eletrostáticas:
  15. 15. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito(*) (*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.
  16. 16. A energia dissipada depende da frequência de vibração das ligações químicas na superfície do material. Essa energia dissipada se traduz em atrito. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito(*) (*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.
  17. 17. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito
  18. 18. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito(*): Dentro do erro experimental, parece não existir uma dependência entre a força de atrito e a massa do elemento absorvido. (*) Y. Mo et al., PRB 80 (2009) 155438
  19. 19. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito(*): Crítica ao trabalho anterior (Science): resistência ao cisalhamento depende da porcentagem de superfície coberta pelos elementos absorvidos/ligados. (*) Y. Mo et al., PRB 80 (2009) 155438
  20. 20. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito: Novos resultados que podem vir a encerrar a discussão
  21. 21. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno de atrito: composição do material(*) (*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.
  22. 22. Deslizamento unidirecional Medição da força de atrito por contato mecânico(*): d = profundidade na ordem dos nanometros (20 a 500 nm) Pontas cônicas com raios de 10 e 25 µm (LACASUNE) Força tangencial (de atrito) medida por uma célula de carga (*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.
  23. 23. Mudança da força de atrito com o conteúdo de deutério(*) (*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.
  24. 24. (*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242. Comparativa com modelos de dissipação fonônica(*) Nosso trabalho concorda com os resultados obtidos por AFM (Science)
  25. 25. Coming soon! Interações elétricas nas forças de atrito de filmes finos de a-C:H!
  26. 26. Coming soon! 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 Polarizability(α),x10 -24 cm 3 Number of electrons Forças de van der Waals nas interações entre átomos de gases nobres He a-C:H (+ H e - C) 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Coefficientfriction,µ Number of electrons Forças de van der Waals determinando o atrito em filmes de a-C:H? Xe a-C:H (- H e + C) p = α E
  27. 27. Epílogo do seminário copiado de:
  28. 28. Finalmente, quero agradecer ao Grupo Epipolé, que faz acontecer toda esta magia!

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