تریبولوژی چیست؟

مقدمه

گاهی اوقات با وازه هایی غریب و ناآشنا روبرو می شـویم و معمـولاً بـرای یـافتن معنـای آنهـا، تلاشـی جـدی انجـام نمـی دهـیم.
“تریبولوژی” یکی از همین واژه هاست که اگر برای نخستین بار با آن برخورد کنیم قطعا نمی توانیم حدس بزنیم به کدام شـاخه ازعلوم مرتبط است: پزشکی، جانور شناسی، جغرافی، ریاضی یا …؟

در این نوشتار تلاش خواهد شد تریبولوژی و پدیده های وابسته بـهآن به صورت بسیار فشرده معرفی شده و دریچه ای رو به این دانش گسترده گشوده گردد.

حرکت؛ سنگ بنای تمدن

اگر حرکت وجود نداشته باشد بسیاری از سیستم های مهندسی از کار می افتند. همانطور که می دانید جابجایی یک جسم با زمان تعریف حرکت است. در مقیاسی بزرگتر، اگر بخواهیم بدانیم اجسام چگونه حرکت می کنند و چه نیروهایی سبب حرکت اجسام می شود باید از دینامیک کمک بگیریم. در اطراف ما فرآیندهای بیشماری وجود دارند که به حرکت و رفتار دینامیکی جامدات، مایعات و گازها وابسته اند. به عنوان مثال جریان داشتن خون در رگها، حرکت یک دوچرخه، بالا رفتن آسانسور و … نتیجه فعالیت سیستمهای بیولوژیکی و مکانیکی هستند. علاوه بر اینها، برخی پدیده های غیر مکانیکی که در مبحث الکترونیک یا اپتیک قرار می گیرند نیز بر پایه حرکت ذراتی بسیار کوچک مانند الکترونها، یونها و کوانتوم استوار شده اند. معمولا هر جا حرکتی وجود داشته باشد، مقاومت در برابر حرکت یا اصطکاک هم وجود دارد. پدیده اصطکاک به دلیل برهم کنشهای فیزیکی بین اجسامی که نسبت به هم حرکت می کنند، به وجود می آید. اگر یکی از اجسام متحرک، جامد باشد تاثیر اصطکاک به صورت سایش ظاهر می شود که معمولا به صورت تخریب سطحی جسم جامد خود را نشان می دهد.
معمولا هر گاه صحبت از اصطکاک می شود ما فورا دو جسم جامد در تماس با یکدیگر را تصور می کنیم اما حرکت نسبی بین جامد و مایع(کشتی ها، لوله آب) یا بین جامد و گاز(هواپیما ها، توربین گازی) نیز باعث به وجود آمدن اصطکاک می گردد.

از کجا آغاز گردید؟

با پیشرفت های صنعتی پس از جنگ جهانی دوم، نیاز به استفاده از سرعت های بالاتر و نیروها و درجه حرارتهای بیشتر، بیش از پیش احساس می شد.این مساله به همراه روشهای نوین تولید و نیز ساخت مواد مهندسی جدید باعث شد تا اصطکاک، سایش و روانکاری از اهمیت ویژه ای برخوردار شوند. اهمیت موضوع سبب گردید تا جمعی از متخصصین و صاحب نظران در سال ۱۹۶۶ در کشور انگلستان دور هم جمع شوند و جنبه های مختلف این پدیده ها را مورد بررسی قرار دهند. این دانشمندان پس از پایان کار خود در گزارشی که منتشر نمودند توصیه کردند که باید مطالعات مربوط به اصطکاک، سایش و روانکاری سامان یابد و جایگاهی مستقل در علوم مهندسی پیدا کند. آنها پس از مشورت با دست اندرکاران لغت نامه آکسفورد، واژه تریبولوژی را برای این گستره جدید پیشنهاد نمودند.

چرا تریبولوژی؟

تریبولوژی از واژه یونانی “تریبو” به معنای لغزش دو جسم روی یکدیگر مشتق شده است و تمام فرآیندهای اصطکاکی بین دو جسم که با هم در تماس هستند و نسبت به یکدیگر حرکت می کنند را در بر می گیرد. تریبولوژی را به این صورت هم می توان تعریف کرد: مطالعه اصطکاک، سایش و روانکاری. فرآیندهای مرتبط با تریبولوژی شامل تمام پدیده هایی هستند که در آنها یک جسم روی جسم دیگری می لغزد یا حرکت می کند.

با این تعاریف تمام مثالهای زیر در این دامنه جای می گیرند:
بلبرینگ، چرخ دنده ها، میل لنگ، سیلندر، پیستون، تراش کاری، شکل دهی فلزات، پولیش کردن، سوراخ کاری، روشن کردن یک کبریت، حرکت مفصلها در بدن انسان و هزاران پدیده دیگر.
اگرچه واژه تریبولوژی نسبتا جدید است اما مطالعه اصطکاک، سایش و روانکاری پیشینه ای بسیار طولانی دارد و در این زمینه ها بیشترین کارهای علمی و عملی بر روی پدیده اصطکاک صورت گرفته است زیرا که اصطکاک از دیرباز تاثیر خود را در زندگی روزمره نشان داده است.

اصطکاک؛ همراه قدیمی بشر

جالب است بدانید حتی انسانهای اولیه هم به اصطکاک از دو جنبه علاقه مند بوده اند؛ نخست استفاده از حرارت ناشی از اصطکاک برای روشن کردن آتش و دوم غلبه بر اصطکاک در حمل و نقل اجسام. اختراع چرخ یکی از مهم ترین تحولات زندگی بشر بود و او را قادر ساخت تا کار لازم برای غلبه بر اصکاک را کاهش دهد. به نظر می رسد که انسان از ۹۰۰۰ سال پیش ارابه را به خدمت گرفته باشد. پژوهشها و تحقیقات پیشینیان و اجداد ما تا بدان جا ادامه یافت که به ابداع لاستیک انجامید. شاید برایتان جالب باشد که بدانید ایرانیان نخستین قومی بودند که از چیزی شبیه لاستیک روی چرخ ارابه های خود استفاده می کردند و شما می توانید این ابتکار را در سنگ نگاره های تخت جمشید مشاهده کنید.

دو قانون تجربی در مورد اصطکاک وجود دارد:

در اولین قانون تصریح می شود که اصطکاک مستقل از شکل هندسی یا سطح تماس دو جسم است و دومین قانون بیان می کند که نیروی اصطکاک متناسب با نیروی عمودی بین دو جسم است. این دو قانون نخستین بار توسط لئوناردو داوینچی در حدود سال ۱۵۰۰ میلادی به صورت فرمول بیان شد اما با گذشت زمان به بوته فراموشی سپرده شد تا اینکه یک مهندس فرانسوی به نام Amontons در سال ۱۶۹۹ این قوانین را دوباره کشف کرد. نیوتن، گالیله و کلمب از جمله دانشمندانی هستند که بررسی های زیادی در مورد اصطکاک انجام دادند.

تئوری نوین اصطکاک بر مبنای تحقیقات Bowden و Tabor بنا شده است. این دو پژوهشگر در سال ۱۹۶۴ پیشنهاد کردند که اصطکاک نیروی لازم برای غلبه بر اتصالات مولکولی بین دو جسم است. آنها از تئوری خود برای توجیه پدیده های مرتبط با اصطکاک بهره جستند که از آن جمله می توان به ثابت بودن ضریب اصطکاک و مستقل بودن اصطکاک از اندازه یا سطح تماس اشاره نمود. امروزه دوگانه بودن اصطکاک به عنوان یک تئوری عمومی مورد پذیرش قرار گرفته است؛ یعنی اصطکاک را دارای رفتار دوگانه مولکولی- مکانیکی می دانند. البته تحقیقات در این زمینه همچنان ادامه دارد.

سایش؛ همه دانشمندان باید متحد شوند!

اگرچه مفهوم سایش به راحتی قابل درک است اما تعریف کردن آن مشکل است. یک تعریف سایش از دید تریبولوژی، کاهش مداوم ماده از سطح جسمی است که نسبت به جسم دیگر دارای حرکت نسبی است. نخستین مطالعات جامع در مورد سایش توسط داوینچی انجام شد. در دست نوشته ای که در سال ۱۹۶۷ در اسپانیا یافت شد، لئوناردو داوینچی بررسی های خود را در مورد سایش شرح داده است. او دریافته بود که سایش با اضافه کردن بار۲ افزایش می یابد. وی برای به حداقل رساندن سایش، یک یاتاقان طراحی کرد و جنس آن را از آلیاژ ۳۰ درصد مس و ۷۰ درصد قلع انتخاب نمود

دوران جدید بررسی های سایش مربوط به دهه ۳۰ میلادی است. در این سالها محققان دریافتند که فلزات ممکن است در طول فرآیند سایش، اکسید شوند و بدین خاطر بر روی تاثیر اتمسفر محیط بر روی سایش فلزات به عنوان پارامتر مهمی تاکید کردند.
Siebel در سال ۱۹۳۸ به این نکته اشاره کرد که پژوهشهای فراوانی توسط فیزیکدانها، شیمیدانها، متالورژیستها و طراحان و تئورسین های الاستیسیته و پلاستیسیته می بایست انجام شود تا یک پیشرفت واقعی در زمینه مطالعه سایش حاصل گردد. تحقیقات دانشمندان ادامه یافت تا اینکه Archard قوانین تجربی سایش را به این صورت بیان کرد: حجم سایش با بار و مسافت لغزش نسبت مستقیم و با سختی فلز نرم تر از میان دو فلزی که در تماسند، نسبت معکوس دارد. پژوهشها در مورد سایش هنوز هم ادامه دارد و علاوه بر فلزات، سرامیکها، پلیمرها و کامپوزیتها را نیز در بر می گیرد.

شکل۱ – ارتباط تریبولوژی و سایر علوم و فنون

 

روانکاری با سابقه ای ۵۰۰۰ ساله

روانکاری فرآیندی است که در آن با استفاده از یک روانساز جامد، مایع یا گاز، اصطکاک و/ یا سایش بین سطوحی که نسبت به هم به طور نسبی در حال حرکتند، کاهش می یابد. از آنجا که اصطکاک و سایش الزاما با یکدیگر به طور همزمان وجود ندارند از واژه و/ یا استفاده شده است. روانساز ماده ای است که برای کاهش اصطکاک یا سایش یا هر دو بین سطوح متحرک در حال تماس به کار می رود. انتخاب روانساز مناسب برای هر ماده با در نظر گرفتن نوع فرآیند، دمای انجام فرآیند و سایر ویژگیها انجام می گیرد.
پژوهشهای باستانشناسی نشان می دهد که استفاده از روانساز، پیشینه ای ۵۰۰۰ ساله در مصر، آشور و ایران دارد. امروزه دگرگونیهای بسیاری در روانسازها بوجود آمده است و روانکاری جایگاه برجسته ای در میان علوم به خود اختصاص داده است.

تریبولوژی چقدر اهمیت دارد؟

برگردیم به بحث اصلی خودمان یعنی تریبولوژی. با بکارگیری درست تریبولوژی ما شاهد کاهش قابل توجهی در هزینه های نگهداری و تعویض قطعات خواهیم بود. همچنین با کاستن از اصطکاک، عمر مفید ابزار و دستگاه ها افزایش خواهد یافت. به عنوان مثال اعلام شده است که با استفاده از دانش تریبولوژی سالانه نزدیک به ۱۶ میلیارد دلار صرفه جویی در انرژی فقط در ایالات متحده آمریکا قابل دسترسی خواهد بود. بد نیست بدانید که پس از معرفی تریبولوژی در سال ۱۹۶۶ در فاصله ۱۱ سال حدود ۵۵۰۰۰ مقاله در نشریات مختلف پیرامون تریبولوژی به چاپ رسید. بر اساس آمارهای موجود، در سالهای اخیر به طور میانگین هر سال ۸۰۰۰ مقاله در این زمینه منتشر شده است. در کشور ما چندین سال است که به این مقوله با نگاه علمی نگریسته شده و انجمن علوم و تکنولوژی سطح ایران که در اردیبهشت ۱۳۷۲ تأسیس شده، در این زمینه فعالیت دارد. یازدهمین همایش مل ی مهندسی سطح مهر ماه ۱۳۸۹در تهران برگزار گردید که یکی از زمینه های موضوعی آن به تریبولوژی و سایش اختصاص داشت.

پی نوشت:

۱-Tribology

۲- Load

 مراجع

۱-B. Bever, Encyclopedia of Materials Science and Engineering, Pergamon press, Vol. 7, pp. 5145-5157, 1986

۲-Czichos, Tribology, a System Approach, Elsevier Scientific Publishing Co., 1978

۳- J.A. Schey, Tribology in Metal Working, American Society of Metals,1983

نویسنده: آقای مهندس کامران خداپرستی

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز