Quali sono le cause dell'attrito? Come ridurlo.

A meno che non stiate suonando il violino, l'attrito statico, o stick-slip, è una condizione indesiderata causata dalla differenza tra attrito statico e dinamico tra le due superfici. Quando l'attrito statico si verifica nelle guide lineari, può causare vibrazioni (movimento "a scatti"), blocchi del movimento, requisiti di coppia variabili o una perdita di precisione sotto forma di sovraelongazione.

Cosa causa l'attrito?

Il coefficiente di attrito statico (μs) tra due superfici è quasi sempre superiore al coefficiente di attrito dinamico (cinetico) (μk) e questa variazione di attrito è la causa principale dello stick-slip.

Tutte le superfici presentano una certa rugosità. Anche le superfici altamente rifinite e lucidate non sono perfettamente lisce: presentano picchi (chiamati "asperità") e avvallamenti che riducono l'area di contatto effettiva delle superfici. In altre parole, in alcuni punti, solo i picchi delle due superfici sono a contatto, mentre in altri punti, i picchi di una superficie si incastrano negli avvallamenti dell'altra. E in alcuni punti, non c'è contatto tra le superfici.

Poiché le singole aree di contatto sono molto piccole, la pressione tra le superfici è estremamente elevata (pressione = forza ÷ area) e l'adesione in questi punti avviene tramite un processo noto come saldatura a freddo.

Prima che le superfici possano muoversi, i legami che causano questa adesione devono essere spezzati. Analogamente, dove le superfici si intersecano (i picchi di una superficie si adagiano nelle valli dell'altra), deve verificarsi un'abrasione, o deformazione plastica, per rompere queste aree interconnesse e consentire alle superfici di muoversi.

Una volta che la forza motrice è sufficientemente elevata da rompere questi legami tra le superfici – e superare l'attrito statico – il movimento inizia. Ma anche durante il movimento, si verifica comunque una certa abrasione perché le superfici non sono ancora perfettamente lisce. La resistenza al movimento dovuta alla rugosità superficiale residua è definita attrito dinamico, o cinetico.

Come ridurre l'attrito

Per i cuscinetti lineari lubrificati (praticamente tutti i cuscinetti a ricircolo e alcuni cuscinetti a strisciamento), il movimento tra le superfici del cuscinetto assorbe il lubrificante negli spazi microscopici tra le superfici. All'aumentare della velocità relativa delle superfici, il film lubrificante diventa più spesso e il contatto tra le superfici si riduce, riducendo così l'attrito tra le superfici.

Tuttavia, i cuscinetti lineari percorrono una distanza finita e poi tornano indietro nella direzione opposta (a differenza dei cuscinetti radiali, che possono ruotare nella stessa direzione indefinitamente), quindi trascorrono un buon periodo di tempo in quella che è nota come lubrificazione mista, in cui l'attrito è determinato sia dalle proprietà delle superfici che da quelle del lubrificante. Pertanto, una lubrificazione adeguata è il modo migliore per controllare o ridurre gli effetti dell'attrito statico nei cuscinetti a ricircolo (e in alcuni cuscinetti a strisciamento).

Lo stick-slip, o attrito statico, è spesso più problematico nei cuscinetti a strisciamento che nei cuscinetti a ricircolo. Questo perché nei cuscinetti a strisciamento si verifica una maggiore differenza tra i coefficienti di attrito statico e dinamico. E il coefficiente di attrito di un cuscinetto a strisciamento può variare a seconda del carico applicato, dell'usura e dei fattori ambientali.

Per i cuscinetti a strisciamento che scorrono su alberi tondi, un modo per contrastare gli effetti dello stick-slip è scegliere alberi con la migliore finitura superficiale possibile (la minima rugosità superficiale). Seguire il rapporto 2:1 (noto anche come regola del 2:1 o rapporto di vincolo) – che specifica che la distanza del braccio di momento non deve essere superiore al doppio della lunghezza del cuscinetto – è molto spesso necessario per prevenire lo stick-slip nelle applicazioni con cuscinetti a strisciamento.

Un'altra opzione per ridurre al minimo, o addirittura prevenire, lo stick-slip è l'utilizzo di guide con cuscinetti ad aria. Per i cuscinetti ad aria, l'attrito è funzione esclusivamente del taglio dell'aria dovuto al movimento. Pertanto, la differenza tra attrito statico e cinetico in un sistema con cuscinetti ad aria è praticamente nulla, eliminando così il problema dello stick-slip.