الاحتكاك (علم-)

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الاحتكاك (علم-)

احتكاك (علم)

Tribology - Tribologie

علم الاحتكاك Tribology هو علم وتقانة يختصان بما يحدث في الحركة النسبية للسطوح المتلامسة فيما بينها. يبحث علم الاحتكاك في مختلف المبادئ العلمية والتقانية التي تختص بالحركة، ومنها كيمياء السطوح، وميكانيك الموائع، وعلم المواد، والمزلقات، وميكانيك التماس، والمدارج bearings، ومنظومات التزليق وتصميمها. ويقسم تقليدياً إلى ثلاثة فروع هي: الاحتكاك friction، والتزليق lubrication، والتأكل wear.

الاحتكاك:

تصادَف ظاهرة الاحتكاك حيثما توجد حركة نسبية بين السطوح المتماسَّة المتحركة، وهو يقاوم الحركة دائماً. ولما كان من غير الممكن ميكانيكياً إعداد سطوح ملساء صقيلة تماماً، فإنه عندما يتلامس سطحان أول مرة تحت حمل خفيف سيكون التلامس فقط على امتداد الخشونة النسبية لهما، والتي هي منطقة التماس الفعلية بينهما.

تعزو النظريات الأولى الاحتكاك إلى تعاشق البروزات asperities الخشنة نسبياً في السطحين المتلامسين فيؤدي ذلك إلى تلدنها أو حتّها، غير أنه غدا من الواضح اليوم أن هذه الظاهرة - أي الاحتكاك - أكثر تعقيداً من ذلك، إذ تدخل في الحسابات القوى المتبادلة بين ذرات السطوح المتلامسة وروابطها التي يمكن أن تنفصم أو تلتحم. ومع أن نظريات الاحتكاك جديدة نسبياً، فإن قانونين ناظمين على المستوى المجهري لم يتبدلا إلا قليلاً منذ أيام ليوناردو دافنشي إلى اليوم، وهما:

1- إن قوة الاحتكاك تتناسب مع الحمل الناظمي normal load الضاغط على السطحين معاً.

2- إن قوة الاحتكاك تعتمد على مساحة الاحتكاك الظاهرية apparent area of contact، ومن ثم يمكن أن تتغير قوة الاحتكاك بتغير نعومة السطحين المتلامسين.

يعرَّف معامل الاحتكاك coefficient of friction بأنه نسبة قوة الاحتكاك إلى القوة الناظمية normal force، وهو يراوح في الشروط الطبيعية الجافة بين الضئيل (0.04 للتفلون teflon والفولاذ مثلاً) والكبير (1.1 بين الحديد والحديد).

التزليق:

يتناقص معامل الاحتكاك بين سطحين نظيفين على تماس أحدهما مع الآخر تناقصاً كبيراً إذا ما أدخلت بينهما مادة غريبة، ولو كانت طبقة رقيقة وحيدة الجزيئاتsingle molecular layer كأكسيد أي مادة منهما مثلاً. وكلما كانت شرائح المُزلِّق lubricant films أرق يميل معامل الاحتكاك إلى التضاؤل تماماً، وهو غير مرهون بخصائص السطحين عملياً بل مرتبط بمواصفات المزلّق bulk properties of the lubricant فقط.

إن معظم المزلّقات الشائعة الاستعمال هي سوائل أو غازات، وهنا يبرز دور ميكانيك الموائع ونوع الحركة - التي يمكن أن تكون دورانية اضطرابية أو طبقية انزلاقية - في تحديد معامل الاحتكاك. غير أنه يمكن استعمال المزلِّقات الصلبة لتخفيف الاحتكاك مثل المولبدينيوم ثنائي الكبريت molybdenum disulfide أو الغرافيت graphite، ويعود ذلك إلى بنيته التطابقية. وتدعى عناصر المكنات التي تسهل الحركة النسبية بوساطة مزلِّق بين السطوح المتلامسة مدارج أو محامل. تُزلَّق هذه المدارج بوساطة سوائل أو غازات تعمل وفق النمط الهدروستاتي hydrostatic mode (مضغوطة من الخارج externally pressurized) أو النمط الهدرودينامي hydrodynamic mode أو الذاتي الفعل self-acting. وتبقى المدارج الهدروستاتية أو الدينامية المتطابقة (الممتثلة) Conformal hydrostatic or hydrodynamic bearings جاسئة (صلبة) rigid، مثل المدارج المقحمة thrust bearings أو حركة أسطوانة ضمن أسطوانة، أو المدارج القشرية الانزلاقية (محامل الارتكاز) journal bearings، لأن الضغوط هنا تكون صغيرة نسبياً. أما المدارج الذاتية الفعل غير المتطابقة self-acting counterformal (المدارج ذوات الدحاريج الكروية والأسطوانية، أي حركة كرة على أسطوانة أو كرة على سطح مستو) فالضغوط عليها كبيرة (1-4 غيغا باسكال (GPa، وهذا ما يتطلب في حسابات أداء عناصر المكنة مراعاة التشوه المرن للسطوح elastic deformation (أي تغير شكل المادة تحت الضغط الخفيف، وزواله بعد رفع الضغط)، وارتهان اللزوجة viscosity بالضغط ودرجة الحرارة. وهو ما صار يعرف اليوم بالنمط الهدرودينامي المرن elastohydrodynamic mode. ومنذ أن برهن العالم المهندس كايلي ببلر Kylie A. Peppler عام 1935 على أن التشوهات المرنة في السطوح المتماثلة والمتلامسة مع التزليق المركَّز تؤدي دوراً مهماً في تحمل الضغط وتكوِّن رقاقة التزليق، صار التزليق الهدرودينامي المرن elastohydrodynamic lubrication (E.H.L). الميدان الرئيسي لاهتمامات علم الاحتكاك في كل العالم. وليس في ذلك ما يثير الدهشة، ما دام الكثير من التماسات بين عناصر المكنات هي من النوع غير المتطابق، وأن عمر المكنة أو المحرك المعني مرهون أساساً بعمر الأجزاء الحساسة فيه، أي عمر السطوح المتلامسة. والمثال على ذلك دحاريج المدارج (المحامل) rolling element bearings والمسنَّنات gears وموانع التسرب (سدادات الإحكام (seals والحدبات (الكامات) ومصادمهاcam and tappets. أما المثال الأكثر شيوعاً بين السطوح المتطابقة (الممتثلة) فهي المدارج الانزلاقية (القشرية).

التأكل:

التأكل في علم المواد يعني التحاتّ erosion أو الانزياح الجانبي sideways displacement للمادة عن موضعها الأصلي على سطح صلب ناجم عن فعل سطح آخر. وهذا يعني خسارة متدرجة ومستمرة في مادة الجسم نتيجة الحت أو الحك بجسم آخر. وقد يكون كيميائياً نتيجة تفاعل المزلق مع مادة الجسم المحتك.

يعزى التأكل إلى التفاعل المتبادل interactions بين بروزات أو ذرات السطحين المحتكين، أو بالأحرى إلى انتزاع المادة عن سطح ما وتشوهها نتيجة فعل ميكانيكي لسطح آخر. إن ما يميز التأكل الميكانيكي من العمليات الأخرى التي تؤدي إلى نتيجة مماثلة هو الحركة النسبية والتماس الميكانيكي المبدئي بين خشونة السطحين النسبية.

قد يشمل تعريف التأكل خسارة في الأبعاد نتيجة التشوه اللدن فيما لو كان أصله السطح البيني بين الجسمين المنزلقين. غير أن التشوه اللدن plastic deformation بسبب الضغط مثلاً لا يدخل في تعريف التأكل، إن لم ترافقه حركة نسبية وتماس مع السطح المقابل، على الرغم من احتمال انتزاع جزء من المادة، وذلك لأن هذا التشوه لا يشتمل على حركة انزلاق نسبية بين السطحين. والحقيقة أن التأكل هو نتيجة حركة انزلاقية يتفاعل فيها جسمان صلبان في فواصل زمنية قصيرة للغاية، وكان يوصف في الماضي على أنه تماس نبضي impulse contact، وفق نموذج رياضي mathematical model لمتوسط الطاقة المنتقلة بين جسمين صلبين متماسين يتحرك أحدهما عكس اتجاه حركة الآخر.

ثمة طرز مختلفة من التأكل، منها التأكل المنزلق sliding wear، والتأكل بالحك abrasive wear والتحات (التعرية) والحت بالأكسدة corrosion، وكَلَل (تعب) السطح surface fatigue. إن الدراسة العلمية لتأكل السطوح هي دراسة حديثة، وقد غدت ممكنة مع تطور معدات الاختبار الحساسة وتقنياتها. ويعتقد أن نمط التفاعل المعقد بين السطوح المحتكة يمكن أن يكون السبب في التأكل، وعليه فإن التوقع الكمي لمعدل التأكل تعترضه صعوبات مماثلة لتلك التي تصادف عند الاحتكاك. والواقع أن الموقف هنا أصعب بكثير: فحيثما يتبدل معامل الاحتكاك ولو بمقدار مرتبة واحدة one order of magnitude بين زوجين من المعادن وزوجين آخرين مغايرين، فإن معامل التأكل يتبدل بعدة مراتب وفقاً لشروط المحيط وغيرها.