Quali sono le cause dell'attrito statico? Come ridurlo.

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

Quali sono le cause dell'attrito statico?

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 del fenomeno stick-slip.

Tutte le superfici presentano un certo grado di rugosità. Anche le superfici altamente rifinite e lucidate non sono perfettamente lisce: presentano creste (dette "asperità") e avvallamenti che riducono l'area di contatto effettiva tra le superfici. In altre parole, in alcuni punti solo le creste delle due superfici sono a contatto, mentre in altri le creste di una superficie si insinuano negli avvallamenti dell'altra. Infine, in alcuni punti non vi è alcun 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 avviene in questi punti attraverso un processo noto come saldatura a freddo.

Prima che le superfici possano muoversi, i legami che causano questa adesione devono essere rotti. Analogamente, laddove le superfici si incastrano (le creste di una superficie si incastrano nelle valli dell'altra), deve verificarsi abrasione, o deformazione plastica, per rompere queste aree di incastro e consentire alle superfici di muoversi.

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

Come ridurre l'attrito

Nei cuscinetti lineari che utilizzano la lubrificazione (praticamente tutti i cuscinetti a ricircolo di sfere e alcuni cuscinetti a strisciamento), il movimento tra le superfici del cuscinetto aspira il lubrificante negli spazi microscopici tra le superfici. Man mano che la velocità relativa delle superfici aumenta, il film lubrificante si ispessisce e il contatto tra le superfici si riduce, quindi l'attrito tra le superfici diminuisce.

I cuscinetti lineari percorrono una distanza finita e poi ritornano nella direzione opposta (a differenza dei cuscinetti radiali, che possono ruotare nella stessa direzione indefinitamente), quindi trascorrono un tempo considerevole in quella che viene definita lubrificazione mista, dove 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'adesione nei cuscinetti a ricircolo di sfere (e in alcuni cuscinetti a strisciamento).

Il fenomeno dello stick-slip, o attrito statico, è spesso più problematico nei cuscinetti a strisciamento rispetto a quelli a ricircolo di sfere. Questo perché i cuscinetti a strisciamento presentano una maggiore differenza tra i coefficienti di attrito statico e dinamico. Inoltre, 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 montati su alberi cilindrici, un modo per contrastare gli effetti dello stick-slip è quello di scegliere alberi con la finitura superficiale più elevata (minima rugosità superficiale) possibile. Inoltre, rispettare il rapporto 2:1 (noto anche come regola 2:1 o rapporto di bloccaggio), che specifica che la distanza del braccio di leva 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 minimizzare, o addirittura prevenire, il fenomeno dello stick-slip è l'utilizzo di guide con cuscinetti ad aria. Nei cuscinetti ad aria, l'attrito è funzione esclusivamente della sollecitazione di taglio dell'aria dovuta al movimento. Pertanto, la differenza tra attrito statico e attrito dinamico in un gruppo di cuscinetti ad aria è praticamente nulla, eliminando di fatto il problema dello stick-slip.