Domanda:
Perché l'olio è un lubrificante migliore dell'acqua?
ahemmetter
2016-06-03 12:04:22 UTC
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Come mai l'olio minerale è un lubrificante migliore dell'acqua, anche se l'acqua ha una viscosità inferiore?

Sketch of the problem

Quando due superfici scivolano l'una sull'altra con uno spazio riempito con un fluido, i diversi strati del fluido vengono trascinati a velocità diverse.Lo strato più superficiale che tocca la superficie metallica superiore avrà la stessa velocità della superficie stessa, mentre lo strato più basso è fermo.La velocità negli strati intermedi è distribuita linearmente e esistono forze di attrito tra quegli strati che rallentano il movimento.Tuttavia, queste forze di attrito dovrebbero essere ridotte se si sceglie un fluido con una viscosità inferiore.

Come mai non è così?

Ha a che fare con la polarità dell'acqua, in modo che aderisca alle superfici in modo diverso dall'olio?

Penso che la lubrificazione sia un'attività estremamente complicata.Tuttavia non si vuole che la viscosità sia troppo bassa: uno scopo critico dei lubrificanti è quello di prevenire il contatto metallo-metallo che generalmente è rapidamente fatale per i macchinari, e per farlo deve essere abbastanza viscoso.
L'acqua non è * sempre * un lubrificante peggiore.Hai mai visto quei cartelli "pavimento bagnato"?I pavimenti possono diventare estremamente scivolosi introducendo una piccola quantità di acqua, molto più che con l'olio.Le lastre di ghiaccio o le navi sono un altro ottimo esempio: prendi una nave a base d'acqua, mettila nell'olio e sperimenterà molto più attrito che nell'acqua.
L'acqua è buona per la lubrificazione, il problema è che vaporizza come un matto.A che serve un lubrificante sparito in 5 minuti?
@Luaan, chiaramente l'acqua non è sempre un lubrificante peggiore di altre sostanze, ma mi sembra che in condizioni "domestiche" (come lo sfregamento delle mani o lo scorrimento di una scarpa sul pavimento), l'olio fa un lavoro migliore.Il caso di una nave che nuota nell'olio o nell'acqua dipende solo dalla viscosità del fluido, è solo un normale problema di resistenza laminare e non sono sicuro se sia applicabile alla domanda originale.
Il tasso di evaporazione di @Davor, è un'altra buona proprietà da considerare.Ma se l'esperimento viene condotto in un breve lasso di tempo, in cui l'evaporazione può essere trascurata, probabilmente non è la causa principale della differenza.Potrebbe essere che la viscosità e la velocità di evaporazione siano collegate in qualche modo, c'è del materiale su questo?
La nostra pelle è stata sviluppata con l'obiettivo di "non scivolare sulle superfici acquose".Quindi stai cercando un materiale specificamente "progettato" per evitare lo slittamento, proprio come le suole in gomma delle tue scarpe.Prendi una scarpa vecchia scuola senza gomma e vedrai che è estremamente scivolosa sulle superfici bagnate: gli europei medievali andavano a piedi nudi la maggior parte del tempo, soprattutto in inverno.L'olio non si trova comunemente in natura, quindi non c'era molta pressione per rendere la pelle resistente allo scivolamento su una superficie oleosa - in effetti, la fonte di olio più comune è * la nostra pelle *, "progettata" per la lubrificazione (tra le altrecose).
Ciò che rende un "lubrificante migliore" probabilmente non è uniforme per ogni situazione.Per esempio.il grasso è un ottimo lubrificante con molle a balestra, precisamente _perché_ è così viscoso.
Potrebbe essere la dimensione della molecola - tenere separate le parti?
Vale la pena notare che l'acqua ha una capacità di lubrificazione pari a zero e una capacità di separazione pari a zero a temperature superiori a 100 ° C: olio e grasso hanno entrambi un intervallo di lavoro che si estende a temperature molto più elevate.
Non è necessariamente il caso che abbia una capacità lubrificante pari a zero sopra i 100 ° C.Per esempio.[i cuscinetti a lamina] (https://en.wikipedia.org/wiki/Foil_bearing) utilizzati nei motori a reazione sono lubrificati con aria.
Quindi, per riassumere, un buon lubrificante dovrebbe (almeno per la maggior parte delle circostanze) avere una bassa viscosità, essere in grado di tenere separate le parti della macchina (che potrebbe essere correlata a una maggiore viscosità, adesione, tensione superficiale), essere non volatile, non corrosivo, hanno una bassa interazione tra le sue molecole (non polari) e potrebbero dover servire per altre funzioni (refrigerante, protezione dalla ruggine) nell'intervallo di temperatura previsto.
Sei risposte:
Luboš Motl
2016-06-03 12:24:43 UTC
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La tua derivazione è composta da affermazioni corrette e infatti, se si sa che qualcosa agisce come un lubrificante, vogliamo che la viscosità sia la più bassa possibile perché l'attrito sarà ridotto in questo modo.Ad esempio, il miele è un cattivo lubrificante perché è troppo viscoso.

Tuttavia, la tua derivazione non è l'intera storia.La seconda condizione è che le due superfici rimangano separate.Se utilizzi un lubrificante con una viscosità troppo bassa, le superfici verranno a contatto e ricomparirà l'attrito originale.

Quindi il lubrificante ottimale è il liquido meno viscoso che è abbastanza viscoso da tenere separate le superfici.Quale di loro è ottimale dipende dalle superfici dettagliate e da altre condizioni.Ad esempio, esistono situazioni in cui l'acqua è un lubrificante migliore dell'olio, ad esempio quando il ghiaccio scivola sul ghiaccio.Parte del ghiaccio si scioglie e l'acqua è il motivo per cui il ghiaccio scivola così bene.

E la tensione superficiale e la bagnabilità?Non dovrebbero essere anche parametri importanti?
Sì, anche loro sono importanti.La bagnatura generalmente diminuisce con la viscosità ma non sono identici.
Il grasso è molto viscoso ma è un buon lubrificante.Penso che la proprietà che rende un liquido un buon lubrificante non abbia nulla a che fare con la sua viscosità.Affermare che il miele è un cattivo lubrificante perché è troppo viscoso è sbagliato tanto quanto affermare che l'olio è un buon lubrificante perché non è viscoso.
Sicuramente il grasso non è un buon lubrificante per motori, ecc. È appiccicoso e lo si sente.L'OP ha perfettamente ragione che alla fine la forza di attrito è proporzionale alla viscosità.
Quale proprietà fisica di un fluido (o di una polvere, se è per questo) controlla quanto sia "facile" toccare le piastre?È anche questa la viscosità?O forse anche la tensione superficiale, come ha accennato @user_na, poiché si opporrebbe allo schiacciamento di una goccia, quando viene esercitata una forza sulla piastra superiore per ridurre lo spazio tra le piastre.Il mercurio, ad esempio, può essere utilizzato come lubrificante almeno in alcuni casi? C'è anche qualche lavoro sulla relazione tra questi valori?
@Neil Grease è spesso un terribile lubrificante.È utile nei casi in cui hai bisogno di qualcosa che rimanga dove si trova (ad esempio se hai macchinari che non hanno un meccanismo per mantenere le superfici dei cuscinetti coperte di olio) ma generalmente useresti olio se potessi.Si noti tuttavia che gran parte del motivo per utilizzare l'olio nei (diciamo) motori delle auto è che è anche un liquido di raffreddamento e quindi è necessario un flusso significativo attraverso i cuscinetti.La lunricazione è un argomento davvero complicato.
@tfb Per quanto "cattivo" sia il grasso, è ancora usato come lubrificante, il che, se la viscosità di un liquido determina la sua capacità di essere un buon lubrificante dovrebbe suggerire, dovrebbe essere un lubrificante peggiore dell'acqua.Inoltre, trovo discutibile che il grasso sia un lubrificante così terribile.
Potrebbe anche essere utile menzionare che l'acqua ha molte più probabilità di danneggiare le cose rispetto all'olio minerale e il metallo arrugginito tenderà ad avere più attrito.
@Neil La viscosità non è l'unico fattore determinante e anche la dipendenza dalla viscosità non è monotona: l'acqua non è abbastanza viscosa, il grasso è (molto spesso) troppo viscoso.Questo è il motivo per cui, ad esempio, gli oli motore sono specificati dalla viscosità e spesso hanno additivi che li fanno comportare come un olio a viscosità più elevata quando sono caldi (10W-30 significa `` come 10W quando freddo, ma come 30 quando caldo '' dove penso"caldo" significa 100 ° C).PS: prova a lubrificare la tua auto con grasso (non se non vuoi comprarne uno nuovo) se pensi che sia un lubrificante ragionevole ...
@Niel Si noti che il grasso viene utilizzato in luoghi come i giunti delle porte, dove l'attrito risultante non è un problema.Il giunto si muove solo di un paio di millimetri quando apri la porta, e in realtà non vuoi nemmeno un movimento senza attrito poiché un certo attrito impedisce che la porta sbatta.
"Liquido meno viscoso che è abbastanza viscoso da tenere separate le superfici".Mi piace.Spiega perché l'acqua è un buon lubrificante per le barche.Galleggiano.:)
@Neil: La viscosità è la caratteristica più importante, ma il grasso è pseudo-plastico, la sua viscosità si riduce sotto il taglio (assottigliamento per taglio).La viscosità scende a un punto vicino alla viscosità del suo lubrificante di base come un olio.Quindi entrambi rimangono in posizione normalmente * e * lubrifica tra le superfici a causa della caduta di viscosità.
@tfb Questo era precisamente il mio punto.La viscosità non è l'unico fattore qui.Sono contento che siamo d'accordo.
@LubošMotl Ciao, c'è una cosa che non mi è chiara "* abbastanza viscosa da tenere separate le superfici *", in che modo la viscosità influenza il tenere le cose separate o unirsi?Non viene dalla definizione e non vedo alcuna connessione evidente soprattutto quando si tratta di superfici.Capisco che un oggetto cadrebbe più lentamente nel miele che nell'acqua, ma non vedo come si trasforma in "contatto" tra due superfici.Ti andrebbe di spiegare questo dettaglio?Forse nella risposta, sarebbe molto più chiaro IMO.O è ovvio?Nessuno ne ha parlato, quindi forse sono un po 'stupido.
@LubošMotl Forse solo per elaborare un po '.Stavo pensando a due oggetti in un ambiente liquido, diciamo due fogli o anche le mani, che si sfregano l'uno contro l'altro.Non vedo come il processo differirebbe in acqua e in miele in termini di vicinanza tra le superfici.È più difficile spostarli in un ambiente più viscoso, ma è anche più difficile tenerli vicini?Spero di essere chiaro (e non è una domanda troppo stupida).
Abhinav
2016-06-03 12:29:15 UTC
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Un buon lubrificante tende a minimizzare efficacemente il contatto diretto tra i componenti di qualsiasi dispositivo che ne abbia bisogno

Tenendo presente questo, la viscosità non è l'unico fattore coinvolto.Macina una mina di grafite e diventa un potente lubrificante.Potrebbe essere che, nel caso di acqua posta tra due superfici, una goccia d'acqua che avrebbe dovuto agire come strato intermedio, si sposti facilmente, provocando un contatto prematuro tra le parti altrimenti lubrificate, con conseguente usura, mentre i componenti dell'oliotendono a rimanere in posizione come mezzo intermedio e ad agire come lubrificante.La grafite ovviamente essendo una polvere fine non si comporta come l'acqua.

Un'ottima osservazione.La viscosità non è il fattore decisivo qui.
La grafite macinata non è un liquido (motivo per cui la viscosità è mal definita) e penso che non dovrebbe nemmeno essere chiamata lubrificante.È un microscopico cuscinetto a rulli.Non ha davvero nulla a che fare con la domanda.
La grafite non è l'unico lubrificante solido.Esistono lubrificanti solidi e semisolidi a base di silicio, ceramica, bisolfuro di molibdeno, nitruro di boro e politetrafluoroetilene.Il fattore comune a questi lubrificanti è la loro struttura molecolare e il debole legame tra le molecole.
il talco è un altro lubrificante solido, la grafite non è rulli, i suoi fogli,
In caso di lubrificanti solidi come film sottili, la * resistenza al taglio * dello strato solido è solitamente il fattore determinante e può essere considerata equivalente alla * viscosità * del liquido.
La cera è un buon lubrificante per le guide di cassetti in legno.
@LubošMotl Graphite non è un microscopico cuscinetto a rulli, ** è ** un lubrificante.Non ci sono nanoball di grafite che rotolano tra le superfici.All'inizio dello scorrimento la grafite copre entrambe le controparti riempiendo tutti i vuoti e il contatto scorrevole tra, ad esempio acciaio-acciaio / grafite si trasforma in grafite-grafite.
@Crowley Stavo leggendo di tracce d'aria lineari e quindi c'è il cuscino d'aria che supporta il movimento libero del ciclista.In ogni caso, se questo commento è troppo tardi, è corretto classificare l'aria come lubrificante?
@Abhinav Se impedisce alle superfici di toccarsi, perché no?Sto utilizzando un dispositivo in cui viene utilizzata l'aria e lo smorzamento.Il campo magnetico può essere considerato anche come lubrificazione :-)
Chet Miller
2016-06-03 19:23:46 UTC
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La situazione delle piastre parallele che descrivi non è la condizione tipica che si incontra nelle operazioni di lubrificazione pratica.Il cuscinetto lubrificato, oltre a facilitare lo scorrimento delle superfici una sull'altra, deve sopportare anche un carico normale.Per fare ciò, lo spazio tra le superfici varia a seconda della posizione lungo il cuscinetto.Ad esempio, in un cuscinetto portante, l'albero non sarà concentrico con il manicotto del cuscinetto e, in un cuscinetto a cursore, la superficie mobile si trova a un piccolo angolo rispetto alla superficie fissa.Queste caratteristiche della geometria consentono alla pressione di accumularsi nello spazio tra le superfici come risultato di una combinazione di flusso di trascinamento e flusso di pressione.Ciò causa un carico normale verso l'alto sull'elemento scorrevole.Maggiore è la viscosità del lubrificante, maggiore è l'accumulo di pressione e maggiore è il carico normale che il cuscinetto può sopportare.Ecco perché utilizziamo lubrificanti con una viscosità maggiore dell'acqua.

Questa è l'unica risposta completa qui ancora.
JustAGuest
2016-06-03 16:42:52 UTC
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Perché il petrolio è scivoloso

Spiegare perché il petrolio è scivoloso richiede uno sguardo alla sua sostanza chimica proprietà. In primo luogo, il petrolio è non polare, il che significa che non ha a carica positiva o negativa. Alcune molecole, come l'acqua, hanno a "Distribuzione della carica", il che significa che la molecola agisce quasi come un batteria, parte di essa ha una carica positiva e parte di essa ha una carica negativa. Il risultato, perché il positivo è attratto dal negativo e viceversa, è che l'acqua e altre molecole "polari" si attaccano l'un l'altro. L'olio non ha questo problema, quindi una molecola di olio può farlo scivolare oltre un altro più facilmente di quanto una molecola d'acqua possa scivolare oltre un altro.

Alla scivolosità dell'olio si aggiunge la sua tendenza a formarsi distintamente strati attraverso forze chiamate forze di Van der Waals, o più in particolare le forze di dispersione di Londra (un tipo di forza di Van der Waals). Queste forze, che sono le più deboli conosciute nella scienza, possono aiutare i vecchi cose insieme, che aumenterebbero l'attrito. Tuttavia, gli oli hanno l'estensione proprietà unica di formare forze solo all'interno degli strati perché il le molecole sono essenzialmente planari. Planare significa semplicemente che le molecole lo sono piatto come sottolinea il diagramma sottostante e occupa spazio solo in due dimensioni piuttosto che tre. Senza proiezioni a cui attaccarsi, forze può essere distribuito solo all'interno dell'aereo e quindi non ci sono forze per farlo lega uno strato al successivo. Pertanto, due strati di olio non si legano a uno un altro in grande misura. ...

Sarebbe come se la grafite fosse un buon lubrificante, poiché ha anche strutture piane che interagiscono debolmente che sono in grado di scorrere l'una sull'altra.Ma se la polarità fosse uno dei fattori principali, la trementina ad esempio sarebbe un lubrificante eccezionalmente buono.
"Il carbonio-grafite è un materiale autolucidante e dimensionalmente stabile. Gli alberi lucidati con una finitura superficiale fine lucidano il materiale in carbonio-grafite con la stessa finitura fine, quindi un sottile film idrodinamico è sufficiente per fornire lubrificazione.
"[...] I materiali dei cuscinetti in plastica o polimero spesso falliscono nelle applicazioni sommerse a causa della loro tendenza a gonfiarsi, ammorbidirsi o deteriorarsi. I cuscinetti metallici sono spesso insoddisfacenti perché il film idrodinamico fornito dai liquidi a bassa viscosità non è abbastanza spesso da superare il forteattrazione atomica tra i cuscinetti di metallo e l'albero di metallo ".- [flowcontrolnetwork.com] (http://www.flowcontrolnetwork.com/bearings-for-running-submerged-in-low-viscosity-liquids/)
@andynitrox - La trementina come lubrificante significherebbe che è sommersa (altrimenti non si può lucubrare in modo affidabile con un solvente volatile) e il cuscinetto è stato progettato per questo.
"aiutare le vecchie cose insieme" Non ho modificato perché non so se è un [sic].
"Le forze di dispersione di Londra sono particolarmente utili per la funzione dei dispositivi adesivi, perché non richiedono che nessuna delle due superfici abbia polarità permanente".Penso che abbia in gran parte a che fare con l '[adesione] (https://en.wikipedia.org/wiki/Adhesion) dell'olio che è maggiore di quella dell'acqua, insieme all'essere la viscosità corretta per l'applicazione (come il principalela risposta suggerisce, se il lubrificante può essere spostato non funzionerà).
@andynitrox Trementina * è * un lubrificante abbastanza buono, nelle giuste circostanze.Nella maggior parte delle condizioni "a misura d'uomo", è troppo volatile per essere buono per questo.È anche un buon solvente in molte circostanze e sciogliere le parti di lavoro è una cattiva caratteristica per un lubrificante.Tuttavia, beneficia sia di una viscosità abbastanza bassa che della non polarità, che * sono * fattori determinanti per le prestazioni complessive del lubrificante.In definitiva, tuttavia, la questione di cosa rende un buon lubrificante è semplicemente troppo complicata per essere risolta da una o due proprietà del materiale di base.
Crowley
2016-06-07 19:13:41 UTC
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@tbf ha ragione; la lubrificazione e la tribologia in generale sono complicate. Ecco perché c'è un grande sforzo per capirlo e progettare materiali avanzati.

Ci sono diversi fenomeni che causano la forza di attrito e quelli che hai trascurato fanno sì che gli oli siano superiori all'acqua nella maggior parte delle applicazioni industriali.

Nello scorrimento a secco possiamo identificare adesione (dominante per due superfici vetrose super lisce), asperità salto e deformazione (dominante per due superfici ruvide e dure) e aratura (dominante per lo scorrimento di una superficie ruvida dura contro una morbida). Alcuni aggiungono il legame chimico come causa separata, altri lo considerano parte dell'adesione e altri lo considerano una condizione.

I lubrificanti sono scelti per ridurre l'attrito e l'usura e non esiste un superlubrificante universale ideale per qualsiasi applicazione. Bisogna considerare:

  • Tutti i materiali a contatto scorrevole;
  • Gamma delle forze applicate;
  • Temperatura;
  • Velocità di scorrimento;
  • Ambiente (flusso aria / liquido, ambiente chimico, frequenza di scorrimento, presenza di detriti, ...)

Alla domanda, l'olio minerale è un buon lubrificante in caso di scorrimento di due metalli perché passiva le superfici e ne impedisce il contatto (l'adesione è quindi trascurata), se la viscosità è sufficientemente bassa diminuisce anche l'interazione tra le asperità di entrambi superfici. D'altra parte, l'acqua può reagire chimicamente con le superfici e a causa della sua bassa viscosità non può impedire l'interazione con l'asperità. Ma non dice nulla in generale.

Note:
Il lubrificante più comune sulla Terra è l'acqua: le articolazioni nei corpi di tutti i vertebrati sono lubrificate con acqua.
Come ha notato Abhinav, la grafite e tutti i lubrificanti solidi menzionati nei commenti sotto la sua risposta sono buoni lubrificanti e non è possibile definire la viscosità lì.
Le pompe turbomolecolari utilizzano cuscinetti magnetici in cui "lubrificante" è il vuoto.

kamran
2016-06-10 00:28:25 UTC
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L'acqua non può sopportare carichi normali così come l'olio.
L'acqua è destinata a fuoriuscire dai cuscinetti ad alta pressione ai punti più bassi del pressore in un circuito di lubrificazione aperto che lascia i contatti dell'orso L'acqua può creare bolle attorno alle cavità e agli angoli e interrompere il flusso laminare che comprometterà la separazione delle parti in movimento. L'acqua reagirà chimicamente con le superfici.
Esistono lubrificanti progettati meccanicamente per essere vicini alla viscosità dell'acqua ma chimicamente inerti e con una tolleranza di temperatura più ampia come i liquidi per freni.
Molte delle parti rotanti ad alta velocità sono state progettate sfruttando le proprietà di carico dell'olio per bilanciare attivamente e dinamicamente il sistema nella sua configurazione corretta sotto una gamma di diversi carichi o RPM, che è più pratico con l'olio.La trasmissione automatica è solo un caso.



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