Nieuwe nano-metingen vervolmaken eeuwenoude wrijvingstheorie

Het verschijnsel – lift-up hysterese gedoopt – wordt beschreven in een recente studie van onderzoekers Farid Al-Bender, Kris De Moerlooze en Paul Vanherck van de divisie Productietechnieken, Machinebouw en Automatisering van de KU Leuven.

Wrijving is de kracht die optreedt als een oppervlak over een ander glijdt, of als een voorwerp zich beweegt door een vloeistof of een gas. Tot nu toe was de theorie die wrijving verklaart gefragmenteerd. De Franse natuurkundigen Guillaume Amontons en Charles August Coulomb, probeerden respectievelijk in de laat-17^e en midden-18^e eeuw een verklaring te vinden voor wrijvingsweerstand. Wrijvingsweerstand verklaart bijvoorbeeld waarom het veel moeilijker is om een zware kast over een vloer te schuiven dan een stoel. De wrijvingsweerstand neemt toe met het gewicht van een voorwerp. De vloer en de onderkant van de kast bewegen ten opzichte van elkaar van links naar rechts, of vice versa. Maar tegelijkertijd drukt het gewicht van de kast loodrecht  op de onderkant van de kast en de vloer. Deze normaalbelasting – normaal in de zin van: loodrecht op de verplaatsingsrichting – drukt de twee oppervlakken op elkaar en produceert weerstand als wrijving optreedt. Als we de stoel en de kast op wielen zetten en ze bergop duwen, is er meer kracht nodig om de kast te verplaatsen dan de stoel.

Klimmen en dalen

Op basis van deze redenering verklaarden Amontons en Coulomb wrijving door de ruwheid van de oppervlakken: de (soms microscopisch kleine) oneffenheden van het ene oppervlak komen terecht op die van het andere. Als wrijving optreedt, werken deze oneffenheden als hellingen. Ze kunnen worden beklommen, afgedaald en vervormd zodat de beweging kan voortgaan, vergelijkbaar met wat gebeurt als de haren van twee borstels over elkaar worden gewreven.  Deze theorie wordt daarom soms de ‘bump’  hypothese genoemd: het ene oppervlak schuurt over het andere met een op-en-neer-beweging.

In de 20^e eeuw werd duidelijk dat de bestaande theorie niet volledig overeenkwam met de wetten van de thermodynamica, de wetenschap die de omzetting van warmte in energie, of omgekeerd, onderzoekt. Amontons en Coulomb’s bump hypothese schiet tekort bij het verklaren van energieverliezen ten gevolge van wrijving. In theorie is de som van de energie die nodig is om bergop en bergaf te gaan nul. Tegelijkertijd is bekend dat gladde oppervlakken een elektrochemische neiging hebben om aan elkaar te kleven.  Dat wordt veroorzaakt door adhesie, een fenomeen waarbij oneffenheden aan elkaar vast komen te zitten. Een goed voorbeeld is Scotch tape. Als er beweging optreedt worden alle verbindingen tussen de oneffenheden van de twee oppervlakken verbroken en elders opnieuw gevormd.  Dus factoren als snelheid en versnelling beïnvloeden wrijving. Met de opkomst van de nieuwere adhesietheorie raakte die van Amontons en Coulomb geleidelijk aan in de vergetelheid. Maar ook de moderne adhesietheorie bleek weer niet geheel consistent.

Complexer beeld

Meettechnieken op micro- en nanoschaal  maken het nu mogelijk om wrijving op atomair niveau te bestuderen. Professor Farid Al-Bender en zijn team voerden een experiment uit met extreem nauwkeurige wrijvings- en verplaatsingssensoren en onderzochten verschillende  materialen (papier, plastic en koper) bij verschillende bewegingssnelheden. De resultaten brengen wrijvingskrachten in kaart die consistent zijn met de resultaten die zijn voorspeld met de adhesietheorie. Maar tot nu toe was ‘ normaalbeweging’, beweging loodrecht op de wrijfbeweging, nog niet gemeten. Omdat normaalbewegingen een ordegrootte hebben van slechts 5 tot 50 nanometer, was deze systematische op-en-neer-beweging voorheen over het hoofd gezien.

Metingen van deze normaalbewegingen bevestigen volgens de onderzoekers van de KU Leuven de eeuwenoude hypothese van hellingen en deformaties van oneffenheden, zoals genoemd door Amontons en Coulomb. Zo ontstaat een complexer beeld van het fenomeen wrijving, want nu moet voor het ontwikkelen van een allesomvattende wrijvingstheorie ook met de normaalbeweging rekening worden gehouden.  Al-Bender en zijn team stellen dat wrijving wordt veroorzaakt door een interactie van zowel adhesie enerzijds als van deformatie en hellingen van oneffenheden anderzijds.

Tribologie

Tribologie – de wetenschap van wrijving, smering en slijtage – is een belangrijk onderdeel van de mechanica. Onderzoek op dit gebied kan bijdragen aan duurzaamheid en kostenbesparing bij productie en gebruik. Als de interactie tussen bewegende oppervlakken kan worden beheerst, zullen slijtage, storingen en afval worden verminderd, evenals de tijd- en energieconsumptie. Tribologisch onderzoek kan ook bijdragen aan e miniaturisering van producten, zoals computeronderdelen. Op de KU Leuven is tribologie rechtstreeks gekoppeld aan onderzoek in werktuigbouwkunde, machine-ontwerp, materiaalwetenschappen en robotica.

De volledige tekst van het artikel "Lift up Hysteresis Butterflies in Friction" is (tegen betaling) beschikbaar op de website van het tijdschrift Tribology Letters 4.749