¿Qué causa la fricción estática? ¿Cómo reducirla?

Salvo que toques el violín, la fricción estática o el deslizamiento intermitente es una condición indeseable causada por la diferencia entre la fricción estática y la dinámica entre dos superficies. Cuando se produce fricción estática en guías lineales, puede provocar vibraciones (movimientos a tirones), bloqueo del movimiento, fluctuaciones en el par requerido o una pérdida de precisión en forma de sobreimpulso.

¿Qué causa la adherencia?

El coeficiente de fricción estática (μs) entre dos superficies es casi siempre mayor que el coeficiente de fricción dinámica (cinética) (μk), y esta variación en la fricción es la causa subyacente del fenómeno de adherencia-deslizamiento.

Todas las superficies presentan cierto grado de rugosidad. Incluso las superficies con un acabado y pulido impecables no son perfectamente lisas: tienen protuberancias (denominadas asperezas) y valles que reducen la superficie de contacto efectiva. En otras palabras, en algunos puntos, solo las protuberancias de ambas superficies están en contacto, mientras que en otros, las protuberancias de una superficie se asientan en los valles de la otra. Y en algunos puntos, no existe contacto alguno entre las superficies.

Debido a que las áreas de contacto individuales son muy pequeñas, la presión entre las superficies es extremadamente alta (presión = fuerza ÷ área), y la adhesión se produce en estos puntos a través de un proceso conocido como soldadura en frío.

Para que las superficies se muevan, deben romperse los enlaces que causan esta adhesión. De igual modo, en las zonas donde las superficies se entrelazan (donde las crestas de una superficie encajan en los valles de la otra), debe producirse abrasión o deformación plástica para romper estas zonas entrelazadas y permitir el movimiento de las superficies.

Una vez que la fuerza motriz es lo suficientemente alta como para romper los enlaces entre las superficies —y superar la fricción estática— comienza el movimiento. Pero incluso durante el movimiento, se produce cierta abrasión porque las superficies aún no son perfectamente lisas. La resistencia al movimiento debida a la rugosidad superficial residual se denomina fricción dinámica o cinética.

Cómo reducir la fricción estática

En los cojinetes lineales lubricados (prácticamente todos los cojinetes de recirculación y algunos cojinetes lisos), el movimiento entre las superficies de apoyo introduce el lubricante en los espacios microscópicos entre ellas. A medida que aumenta la velocidad relativa de las superficies, la película lubricante se vuelve más gruesa y se reduce el contacto entre ellas, disminuyendo así la fricción.

Sin embargo, los cojinetes lineales recorren una distancia finita y luego regresan en la dirección opuesta (a diferencia de los cojinetes radiales, que pueden girar indefinidamente en la misma dirección), por lo que pasan bastante tiempo en lo que se conoce como lubricación mixta, donde la fricción está determinada tanto por las propiedades de las superficies como por las del lubricante. Por lo tanto, una lubricación adecuada es la mejor manera de controlar o reducir los efectos de la fricción estática en los cojinetes de recirculación (y en algunos cojinetes lisos).

El fenómeno de adherencia-deslizamiento, o fricción estática, suele ser más problemático en cojinetes lisos que en cojinetes de recirculación. Esto se debe a que en los cojinetes lisos existe una mayor diferencia entre los coeficientes de fricción estática y dinámica. Además, el coeficiente de fricción de un cojinete liso puede variar en función de la carga aplicada, el desgaste y los factores ambientales.

Para cojinetes lisos que giran sobre ejes redondos, una forma de contrarrestar los efectos del deslizamiento intermitente es elegir ejes con el mejor acabado superficial posible (la menor rugosidad superficial). Además, seguir la relación 2:1 (también conocida como regla 2:1 o relación de fricción) —que especifica que la distancia del brazo de momento no debe ser mayor que el doble de la longitud del cojinete— suele ser necesario para evitar el deslizamiento intermitente en aplicaciones de cojinetes lisos.

Otra opción para minimizar, o incluso prevenir, el fenómeno de adherencia-deslizamiento es utilizar guías de cojinetes de aire. En los cojinetes de aire, la fricción depende exclusivamente del esfuerzo cortante del aire producido por el movimiento. Por lo tanto, la diferencia entre la fricción estática y la cinética en un conjunto de cojinetes de aire es prácticamente nula, eliminando así casi por completo el problema de la adherencia-deslizamiento.