{"id":23472,"date":"2024-09-26T19:13:25","date_gmt":"2024-09-26T17:13:25","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/09\/26\/la-tribologia-ovvero-scivolare-su-una-buccia-di-banana\/"},"modified":"2024-09-26T19:13:25","modified_gmt":"2024-09-26T17:13:25","slug":"la-tribologia-ovvero-scivolare-su-una-buccia-di-banana","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2024\/09\/26\/la-tribologia-ovvero-scivolare-su-una-buccia-di-banana\/","title":{"rendered":"La tribologia: ovvero, scivolare su una buccia di banana"},"content":{"rendered":"
\n
\"\"<\/div>\n
\n

\"\"<\/p>\n

Per spiegare la tribologia, \u00e8 utile affrontare il problema da un punto di vista un po\u2019 alternativo. Parliamo delle banane e dalle loro note caratteristiche: gialle, leggermente radioattive e incredibilmente scivolose.<\/strong><\/p>\n

di Franco Concli<\/em><\/p>\n

Che le banane siano gialle \u00e8 noto ed evidente a tutti. Quello che forse non tutti sanno \u00e8 che contengono piccole quantit\u00e0 di potassio-40, un isotopo instabile, il che le rende leggermente radioattive<\/strong>. Ma non c\u2019\u00e8 da preoccuparsi: la radioattivit\u00e0 \u00e8 cos\u00ec bassa che non \u00e8 dannosa per la salute. Quello che per\u00f2 interessa a noi \u00e8 la terza caratteristica, quella che dalla nostra infanzia ne fa la caratteristica pi\u00f9 peculiare: la loro capacit\u00e0 di farci scivolare <\/strong>(ovviamente si parla della buccia). <\/p>\n

Ma quanto sono davvero scivolose le bucce di banana? Un gruppo di ricercatori giapponesi ha studiato la \u201cscivolosit\u00e0\u201d delle bucce di banana, vincendo persino un Anti-Nobel per la Fisica<\/a>. Questo studio si basa sulla tribologia<\/strong>, ovvero la scienza che studia l\u2019attrito, la lubrificazione e l\u2019usura delle superfici a contatto, ovvero un tema che \u00e8 alla base del funzionamento della maggiore parte dei sistemi meccanici e che rappresenta una delle tematiche principali di ricerca del team del professor Franco Concli della Libera Universit\u00e0 di Bolzano\/Bozen<\/a>.<\/p>\n

Il ruolo della tribologia<\/strong><\/h2>\n

Se si osservano le bucce di banana da vicino, i.e. al microscopio, sulla superficie interna della buccia si possono vedere piccoli follicoli<\/strong>. Quando il povero malcapitato pesta una buccia di banana, il peso del suo corpo produce una pressione sui follicoli tale da romperli e farli rilasciare un gel <\/strong>a base di polisaccaridi (cio\u00e8 carboidrati e proteine). Questo gel rimane \u201cintrappolato\u201d tra la buccia di banana ed il suolo (o tra la scarpa e la buccia), creando un effetto acquaplaning che rende la superficie estremamente scivolosa.<\/p>\n

Il coefficiente d\u2019attrito<\/h3>\n

Per quantificare questa \u201cscivolosit\u00e0\u201d, va introdotto un nuovo concetto, l\u2019attrito<\/strong>. Il coefficiente di attrito \u00e8 un parametro adimensionale definito dal rapporto tra la forza tangenziale e quella perpendicolare \u2013 ad esempio, un oggetto pesante posto su un tavolo richiede pi\u00f9 forza per essere trascinato a causa una maggiore forza di attrito (funzione del coefficiente di attrito e della sua forza peso) rispetto ad un oggetto pi\u00f9 leggero (a parit\u00e0 di coefficiente di attrito). <\/p>\n

Il coefficiente di attrito dipende, in prima battuta, dai materiali<\/a> e dalla rugosit\u00e0 delle superfici. Per dare un\u2019idea di quanto una banana possa fare scivolare, si pensi che il coefficiente di attrito tra uno pneumatico e un asfalto asciutto \u00e8 attorno al \u00b5=50%. In condizioni di strada bagnata, dove \u00e8 noto, la tenuta diminuisce, il valore scende ma resta prossimo al 40%. Sulla neve, dove a tutti sar\u00e0 capitato (pi\u00f9 o meno volontariamente) di intraversare l\u2019auto, il valore cala attorno al 30%. <\/p>\n

Ecco, nel caso delle banane, ed in particolare tra una buccia di una banana Cavendish e un pavimento in linoleum, il coefficiente di attrito scende al 6%. Questo spiega la nostra quasi impossibilit\u00e0 a rimanere in piedi! Proviamo ad analizzare il problema da un punto di vista geometrico. La nostra camminata \u00e8 possibile grazie al terzo principio della dinamica, ovvero grazie alla forza di reazione esercitata dal suolo. Durante l\u2019avanzare, la parte bassa degli arti inferiori si inclina in avanti e indietro di circa \u00b1 15\u00b0. Sull\u2019asfalto, il nostro piede comincerebbe a scivolare qualora tale angolo superasse i \u00b1 26\u00b0. Nel caso di una buccia di banana, inclinando l\u2019asse della gamba oltre 3,8\u00b0 rispetto al terreno, si cadrebbe rovinosamente\u2026mala tempora currunt!<\/strong><\/p>\n

Un po\u2019 di storia della tribologia<\/strong><\/h2>\n

La tribologia \u00e8 una scienza che si occupa principalmente di studiare gli attriti, ovvero ci\u00f2 che si oppone al movimento relativo tra due superfici a contatto.<\/p>\n

Molti forse non sanno che la moderna tribologia si fonda su studi pionieristici condotti da Leonardo da Vinci <\/strong>nel Quindicesimo Secolo. Da Vinci, con la sua mente geniale, aveva gi\u00e0 intuito molti dei principi fondamentali che oggi sono alla base di questa disciplina. Pertanto, la tribologia ha una lunga storia, che affonda le sue radici nei tempi antichi, ma che continua a essere un campo di ricerca ricco di misteri e di sfide irrisolte.<\/p>\n

Sebbene i primi studi sull\u2019attrito possano essere fatti risalire a Leonardo da Vinci, il termine \u201ctribologia<\/strong>\u201d \u00e8 molto pi\u00f9 recente. Risale a circa 50 anni fa, quando Peter Jost, un ingegnere meccanico britannico, lo coni\u00f2 per definire formalmente questa branca della scienza. La scelta del termine \u201ctribologia\u201d deriva dal greco \u201ctribos\u201d, che significa sfregamento, un chiaro riferimento allo studio dell\u2019attrito.<\/p>\n

La tribologia oggi<\/h3>\n

Spesso l\u2019importanza dell\u2019attrito passa inosservata, eppure \u00e8 fondamentale per la nostra esistenza quotidiana ed \u00e8 presente ovunque attorno a noi. Pensiamo ad azioni semplici come iniziare a lavarsi i denti al mattino: senza attrito, lo spazzolino non riuscirebbe a rimuovere la placca dai nostri denti. Quando guidiamo una macchina, facciamo affidamento su una buona presa degli pneumatici sull\u2019asfalto, resa possibile grazie all\u2019attrito. Anche guardare un orologio meccanico e avere la certezza che tutte le sue parti in miniatura funzionino correttamente per mostrarci l\u2019ora esatta \u00e8 un risultato dell\u2019attrito ben gestito tra i vari ingranaggi. Ogni attivit\u00e0 quotidiana, per quanto banale possa sembrare, \u00e8 profondamente influenzata dall\u2019attrito.<\/p>\n

La tribologia, come la conosciamo oggi, non si limita per\u00f2 solo all\u2019applicazione dei principi dell\u2019attrito, ma include anche lo studio della lubrificazione <\/strong>e dell\u2019usura<\/strong>. La lubrificazione \u00e8 fondamentale per ridurre l\u2019attrito tra superfici, aumentando cos\u00ec la durata delle componenti meccaniche e migliorando l\u2019efficienza energetica dei sistemi. L\u2019usura, d\u2019altra parte, riguarda il deterioramento delle superfici a causa dell\u2019attrito e del contatto continuo, un fenomeno che pu\u00f2 portare a guasti e a costi di manutenzione elevati.<\/p>\n

L\u2019importanza della tribologia<\/strong><\/h2>\n

La tribologia ha un impatto enorme su diverse industrie, dalla produzione automobilistica <\/strong>a quella manifatturiera<\/strong>, dall\u2019aeronautica<\/strong> alla biomedicina<\/strong>. Ridurre l\u2019attrito e l\u2019usura nei macchinari industriali pu\u00f2 significare enormi risparmi economici e una maggiore sostenibilit\u00e0 ambientale, grazie alla riduzione del consumo di energia e delle emissioni di CO2<\/sub>. Uno studio del prof. Woydt dal titolo \u201cThe Importance of Tribology for Reducing CO2<\/sub> Emissions and for Sustainability\u201d<\/a> ha mostrato come, grazie all\u2019ottimizzazione della lubrificazione dei sistemi meccanici, sarebbe possibile ridurre le emissioni di anidride carbonica di circa 10 Gtonnellate <\/strong>all\u2019anno, corrispondenti a circa il 25% delle emissioni dell\u2019anno 2019. Per raggiungere tale obiettivo, per\u00f2, risulta imperativo avere a disposizione strumenti e modelli ingegneristici capaci di modellare il fenomeno in modo da poter ottimizzare i nuovi sistemi orientando le scelte progettuali verso la sostenibilit\u00e0.<\/p>\n

In tal senso, il gruppo di ricerca guidato dal prof. Franco Concli si occupa della tribologia applicata ai componenti meccanici, come i cuscinetti volventi e le ruote dentate. Un esempio tipico \u00e8 rappresentato da un cambio automobilistico. Questo \u00e8 costituito da numerosi elementi meccanici, tra cui alberi, ingranaggi, sincronizzatori e cuscinetti. Quando gli ingranaggi sono in contatto e i cuscinetti sostengono gli alberi, l\u2019attrito tende a dissipare una parte dell\u2019energia fornita dal motore a combustione interna. Questa energia dissipata si trasforma in calore<\/strong>, causando un aumento della temperatura del sistema. Se tale aumento diventa eccessivo, possono sorgere problemi. Ed \u00e8 qui che \u00e8 importante poter intervenire. Ridurre la quantit\u00e0 di energia dissipata ha il doppio vantaggio di diminuire il consumo di carburante e aumentare l\u2019affidabilit\u00e0 del sistema grazie a temperature operative pi\u00f9 basse.<\/p>\n

Gli strumenti di studio della tribologia<\/h3>\n

Lo strumento principale che gli ingegneri utilizzano per affrontare le problematiche legate all\u2019attrito \u00e8 la lubrificazione<\/strong>. Il gruppo di ricerca della Libera Universit\u00e0 di Bolzano\/Bozen, lavora per ottimizzare la lubrificazione, poich\u00e9, se da un lato l\u2019olio o il grasso riducono l\u2019attrito, dall\u2019altro il fenomeno del rimescolamento dell\u2019olio, causato dagli ingranaggi in movimento, rappresenta un\u2019ulteriore fonte di dissipazione energetica. \u00c8 come quando si mescola l\u2019impasto per una torta: tutta l\u2019energia che si immette nel sistema viene persa trasformandosi in calore. La sfida consiste nel trovare il giusto equilibrio tra questi due aspetti, regolando la quantit\u00e0 e il tipo di lubrificante da utilizzare. Per farlo, ci si avvale di strumenti di calcolo avanzati come la fluidodinamica computazionale<\/strong> (CFD).<\/p>\n

La CFD risolve per via numerica le equazioni di Navier-Stokes, permettendo di comprendere e ottimizzare il comportamento dei lubrificanti anche nei sistemi meccanici pi\u00f9 complessi. Qualora non sia possibile la soluzione analitica del problema nella sua interezza, semplicemente lo si decompone in tantissimi sotto-problemi mediante una discretizzazione spaziale. Bisogna immaginare ogni problema ingegneristico come una sorta di oggetto Lego composto da tanti mattoncini\u2026 per ogni mattoncino risulta possibile fare un calcolo semplice\u2026 calcolo che di per s\u00e9 significa poco, ma l\u2019insieme delle soluzioni permette di risalire al comportamento complessivo del problema di interesse, proprio come l\u2019insieme dei mattoncini Lego permette di costruire qualsiasi cosa (Viribus unitis<\/strong>).<\/p>\n

La tribologia in banane, crema catalana e ketchup<\/h3>\n

Si pensi semplicemente a quanto il tipo di lubrificante scelto possa impattare sul comportamento del sistema. Grassi ed olii, infatti, si comportano in modo molto differente: gli olii seguono un comportamento cosiddetto newtoniano (descrivibile di fatto attraverso due soli parametri: densit\u00e0 e viscosit\u00e0), mentre i grassi mostrano comportamenti non-newtoniani, cambiando viscosit\u00e0 a seconda della velocit\u00e0 a cui si muovono. Se volete meglio capire il comportamento di un fluido non-newtoniano, provate a miscelare acqua e maizena o fecola di patate (formando l\u2019oobleck): questo avr\u00e0 un comportamento per cui, se agitato lentamente, apparir\u00e0 come un liquido, ma si trasformer\u00e0 in solido qualora si provasse ad agitarlo velocemente.<\/p>\n

Questo comportamento permetterebbe anche, per rimanere in campo alimentare, di correre su una piscina di crema catalana senza affondarvici. Tuttavia, sarebbe meglio mangiarla. Ma con calma per evitare che diventi solida.<\/p>\n

Nella vita quotidiana si incontrano spesso fluidi non-newtoniani: l\u2019asfalto, il dentifricio e il nostro stesso sangue. Questi sono tutti fluidi familiari di cui, dal punto di vista tribologico, sappiamo ancora troppo poco ed il cui comportamento ci appare spesso strano. Riflettendoci, ci confrontiamo ogni giorno con fenomeni, a volte divertenti, altre volte fastidiosi, che possono essere facilmente spiegati con un approccio fisico. A differenza della crema catalana, il ketchup, ha la caratteristica di diventare meno viscoso con l\u2019aumento della velocit\u00e0. Per questo quando si preme il tubetto sembra che non esca nulla finch\u00e9, all\u2019improvviso, la salsa accelera e schizza dappertutto.<\/p>\n

Se pu\u00f2 sembrare strano collegare banane, crema catalana e ketchup con il cambio dell\u2019automobile, vi far\u00e0 sorridere sapere che un gruppo di ricerca teutonico ha provato a sostituire l\u2019olio lubrificante di un riduttore ad ingranaggi con della birra, scoprendo tra l\u2019altro che quest\u2019ultima possiede capacit\u00e0 lubrificanti superiori a molti oli minerali. Tuttavia, forse \u00e8 meglio utilizzare la birra in modo diverso!<\/p>\n

Qual \u00e8 l\u2019impatto della tribologia a livello globale<\/strong><\/h2>\n

Tornando alle cose serie. Nell\u2019ultimo decennio il trasporto su gomma \u00e8 aumentato di oltre il 15%. Parallelamente, il mercato delle macchine agricole \u00e8 incremento di oltre il 5% annuo. In questo contesto, sviluppare veicoli e macchinari sempre pi\u00f9 efficienti \u00e8 un requisito necessario per contribuire ad uno sviluppo sostenibile<\/strong>. Il lavoro solto dall\u2019equipe del prof. Franco Concli ha un impatto importante sulla sostenibilit\u00e0 e sul percorso verso le emissioni zero.<\/p>\n

Ma se Peter Jost, il padre della tribologia, nel 1966 pubblic\u00f2 un rapporto che evidenziava come i costi legati agli attriti, usura e corrosione rappresentassero circa l\u20191,25% del PIL inglese, secondo recenti studi, oggigiorno \u00e8 addirittura il 25% dell\u2019energia generata <\/strong>a livello globale viene persa nei contatti tribologici. Secondo questi studi, il 40% di queste perdite potrebbe essere ridotto nei prossimi 20 anni, a patto che la ricerca continui. Il potenziale di risparmio, tradotto in soldoni, sarebbe di circa 600 miliardi di \u20ac<\/strong> all\u2019anno tra danni economici diretti ed indiretti.<\/p>\n

Per questo, forse, \u00e8 importante investire oggi in una scienza che ha molto potenziale ed ancora qualche lato oscuro.<\/p>\n<\/div>\n

L’articolo <strong>La tribologia: ovvero, scivolare su una buccia di banana<\/strong><\/a> sembra essere il primo su Il Progettista Industriale<\/a>.<\/p>\n<\/div>\n

Vai alla fonte.<\/a><\/p>\n

Autore: Roberta Falco<\/p>\n

Powered by WPeMatico<\/a><\/small><\/p>\n

_________________________________<\/strong><\/p>\n

CFD FEA Service SRL<\/strong> è una società di servizi che offre consulenza<\/em> e formazione<\/em> in ambito ingegneria<\/strong> e IT<\/strong>. Se questo post\/prodotto ti è piaciuto ti invitiamo a:<\/p>\n