Una exploración integral de la tribología: Revelando la evolución histórica

Introducción

La tribología, la ciencia de la fricción, el desgaste y la lubricación, es un campo multidisciplinario que ha revolucionado el mundo de la maquinaria y los materiales. Comprender la evolución histórica de la tribología proporciona información valiosa sobre los avances que han dado forma a las industrias modernas. En este completo artículo, profundizamos en la intrigante historia de la tribología, desde sus antiguos orígenes hasta sus aplicaciones contemporáneas.

Sus inicios en la antigüedad

Las raíces de la tribología se remontan a civilizaciones antiguas. Los primeros humanos reconocieron la necesidad de reducir la fricción y el desgaste en diversas aplicaciones. Los egipcios, por ejemplo, usaban lubricantes hechos de grasas animales y aceites vegetales para reducir la fricción en trineos y ruedas de carros. Los griegos exploraron el concepto de baja fricción utilizando lubricantes derivados del aceite de oliva.

La palabra «tribología» se deriva de las palabras griegas «tribos», que significa frotar o deslizar, y «logos», que significa estudio o ciencia. Sin embargo, los principios y prácticas de la tribología existían mucho antes de que se acuñara el término. En las civilizaciones antiguas, la necesidad de minimizar la fricción y el desgaste en diversas aplicaciones condujo al desarrollo de conocimientos tribológicos rudimentarios.

Uno de los primeros ejemplos de prácticas tribológicas se puede encontrar en el uso de lubricantes por parte de los antiguos egipcios, como grasas animales y aceites vegetales, para reducir la fricción en el movimiento de piedras grandes durante los proyectos de construcción, en particular, la construcción de las pirámides. Reconocieron la importancia de reducir la fricción y entendieron que aplicar un lubricante entre dos superficies facilitaría su movimiento.

De manera similar, los antiguos griegos y romanos contribuyeron significativamente a la comprensión temprana de la tribología. El matemático griego Arquímedes, conocido por sus estudios en física y mecánica, observó el concepto de fricción estática y dinámica. Reconoció que la fuerza requerida para mantener un objeto en movimiento es menor que la fuerza requerida para iniciar su movimiento, un concepto que luego se formalizó como las leyes de la fricción.

Primeras contribuciones científicas

La tribología como disciplina científica comenzó a tomar forma durante el Renacimiento. Los bocetos y observaciones de Leonardo da Vinci sobre la fricción y la lubricación sentaron las bases para una mayor exploración. Guillaume Amontons, un físico francés, realizó experimentos y desarrolló las leyes de la fricción, proporcionando una comprensión cuantitativa de las fuerzas de fricción.

Otra figura notable en los primeros descubrimientos científicos de la tribología fue Charles-Augustin de Coulomb, un físico francés. A fines del siglo XVIII, Coulomb realizó experimentos para comprender las leyes de la fricción. Descubrió que la fuerza de fricción entre dos superficies es proporcional a la fuerza normal que las presiona juntas, independientemente del área de contacto. Este descubrimiento, conocido como la ley de fricción de Coulomb, fue una revelación revolucionaria que formó la base para nuestra comprensión de la fricción.

En el siglo XIX, se realizaron más avances en tribología, particularmente en lubricación. Sir Isaac Newton, conocido por sus leyes del movimiento, realizó experimentos sobre el flujo de líquidos y desarrolló ecuaciones matemáticas para describir el comportamiento de los fluidos viscosos. Estas ecuaciones sentaron las bases para el estudio de la lubricación por película fluida, donde un fluido separa y reduce la fricción entre dos superficies.

A principios del siglo XX, se produjo un avance significativo en la tribología con el trabajo de Adolf Martens y su examen de superficies de acero bajo un microscopio. Martens descubrió que la superficie del acero no era lisa sino que consistía en irregularidades microscópicas llamadas asperezas. Estas asperezas jugaron un papel crucial en la determinación de las características de fricción y desgaste de los materiales.

A mediados del siglo XX se produjeron nuevos avances en la tribología con el desarrollo de la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM). Estas tecnologías permitieron a los investigadores visualizar superficies con un nivel de detalle sin precedentes, lo que les permitió estudiar las complejas interacciones entre las asperezas y comprender los mecanismos de desgaste.

La revolución industrial y los avances tecnológicos

El advenimiento de la Revolución Industrial en el siglo XVIII marcó un importante punto de inflexión para la tribología. Con el auge de las máquinas de vapor, la maquinaria se hizo más frecuente, lo que generó una demanda de técnicas de lubricación eficaces. Ingenieros e inventores como John Harrison, John Smeaton y James Watt hicieron contribuciones notables a la tribología mediante el diseño de mejores sistemas de lubricación y el desarrollo de nuevos materiales.

Los avances y cambios significativos de la Revolución Industrial revolucionaron varias industrias y tecnologías, lo que generó desafíos y oportunidades en el estudio de la tribología.

Introducción de maquinaria: La Revolución Industrial marcó un cambio del trabajo manual a la maquinaria en varias industrias. El uso generalizado de máquinas introdujo nuevos tipos de superficies y materiales, como engranajes, ejes y cojinetes metálicos. A los tribólogos se les encomendó la tarea de comprender y mitigar los problemas de fricción, desgaste y lubricación que surgieron de estas nuevas interacciones.

Aumento de la producción industrial: La revolución industrial condujo a un aumento significativo en la producción industrial y la escala de fabricación, lo que significó que las máquinas funcionaran durante más tiempo, a velocidades más altas y bajo cargas más pesadas. Los tribólogos tuvieron que desarrollar técnicas para manejar estas mayores demandas, incluido el desarrollo de materiales más duraderos, mejores lubricantes y mejores prácticas de mantenimiento.

Innovaciones tecnológicas: La Revolución Industrial trajo numerosas innovaciones tecnológicas que afectaron a la tribología. Por ejemplo, la invención de la máquina de vapor, que desempeñó un papel central en la Revolución Industrial, requirió avances en la tribología para abordar problemas como las fugas de vapor, el desgaste y las pérdidas por fricción. De manera similar, el desarrollo de los sistemas de transporte ferroviario requería comprender las interacciones tribológicas entre las ruedas y los rieles para reducir la fricción y el desgaste.

Desarrollo de lubricantes: La creciente demanda de maquinaria durante la Revolución Industrial impulsó el desarrollo de nuevos lubricantes para reducir la fricción y el desgaste. Los tribólogos trabajaron para mejorar las técnicas de lubricación, incluido el desarrollo de aceites y grasas más efectivos, que jugaron un papel vital para garantizar el buen funcionamiento de las máquinas y evitar daños a los componentes.

Estandarización e ingeniería de precisión: Con el auge de la producción industrial, surgió la necesidad de la estandarización e ingeniería de precisión. Esto requería una comprensión más profunda de los principios tribológicos para garantizar un desempeño constante y minimizar las variaciones en los procesos de fabricación. Los tribólogos fueron cruciales para establecer estándares y especificaciones relacionadas con el acabado de las superficies, las tolerancias y las características de fricción/desgaste.

Investigaciones científicas: La Revolución Industrial despertó un mayor interés científico en la comprensión de los principios fundamentales de la tribología. Los científicos e ingenieros realizaron una extensa investigación para desentrañar los complejos mecanismos de fricción, lubricación y desgaste. Esto condujo a nuevas teorías, modelos y técnicas experimentales, formando la base de la tribología moderna como disciplina científica.

El surgimiento de la tribología como disciplina

El siglo XX fue testigo del reconocimiento formal de la tribología como un campo científico distinto. En 1966, el término «tribología» fue acuñado oficialmente por el Dr. H. Peter Jost en su ahora famoso «Reporte Jost». Destacó la importancia económica e industrial del estudio de la fricción, el desgaste y la lubricación.

Vale la pena señalar que otros, años antes, comenzaron a usar la raíz “tribo” de la palabra griega tribous, que significa frotar. Por ejemplo, David Tabor, a instancias de su colega Philip Bowden, ambos de la Universidad de Cambridge, sentó las bases para el término tribología. Tabor concibió el nombre «tribofísica» para describir el trabajo de laboratorio que estaba haciendo en ese momento.

Jost es considerado uno de los fundadores de la disciplina moderna de la tribología y, a partir de su informe, se puso más atención al tema. Su reporte pedía el establecimiento de Institutos de Tribología y la publicación de un manual sobre tribodiseño e ingeniería.

En una entrevista realizada por Jim Fitch, fundador de Noria Corporation, se le pidió a Jost que describiera la concepción de la tribología, y señaló ese momento en septiembre de 1964 en la Conferencia del Grupo de Lubricación y Desgaste del Instituto Conjunto del Hierro y el Acero/IMechE sobre Lubricación en Plantas de Hierro y Acero, en Cardiff.

En esta conferencia, se discutieron las fallas, particularmente en maquinaria y equipos de acerías descompuestos. Después de esto, se le pidió a Jost que formara un comité para investigar la cuestión de la educación en lubricación, la investigación y las necesidades de la industria.

Poco después de la publicación del Reporte Jost, se estableció formalmente el Comité de Tribología el 26 de septiembre de 1966 y se le encomendaron varias funciones, entre ellas:

Asesorar al ministro de tecnología sobre las medidas para lograr el progreso tecnológico y el ahorro económico en el ámbito de la tribología.
Asesoramiento a departamentos gubernamentales y otros organismos en asuntos relacionados con la tribología.
Examinar y recomendar a la industria las últimas técnicas en tribología.
Informar anualmente al ministro de tecnología sobre sus actividades y sobre las tendencias y desarrollos en tribología considerados de importancia tecnológica o económica para la nación.

La tribología ganó mayor prominencia durante la Segunda Guerra Mundial, cuando la necesidad de maquinaria y sistemas de lubricación eficientes se volvió primordial.

Hitos clave en tribología

La tribología ha visto varios hitos críticos a lo largo de su historia. Aquí hay algunos hitos notables en el campo de la tribología:

Observaciones de Leonardo da Vinci (1493): Leonardo da Vinci hizo importantes observaciones sobre la fricción y la lubricación, incluido el concepto de reducir la fricción mediante el uso de una capa de lubricante entre las superficies en movimiento.

Leyes de fricción de Guillaume Amontons (1699): Guillaume Amontons formuló leyes empíricas de fricción, conocidas como leyes de Amontons, que establecieron la relación entre la fuerza de fricción y la carga aplicada o el área de contacto.

Invención del rodamiento de bolas (1794): El filósofo y matemático JW Lund desarrolló el concepto del rodamiento de bolas, que revolucionó el diseño de maquinaria al reducir la fricción y permitir un movimiento de rotación suave.

Establecimiento del campo de la tribología (1966): El término «tribología» fue acuñado por Peter Jost en un informe encargado por el gobierno británico, que destaca la importancia económica e industrial de comprender la fricción, el desgaste y la lubricación.

Introducción de la curva de Stribeck (1902): Richard Stribeck presentó una representación gráfica de la relación entre la fricción, el régimen de lubricación y las propiedades del lubricante, conocida como la curva de Stribeck. Proporcionó un marco para comprender los regímenes de lubricación: límite, mixta e hidrodinámica.

Desarrollo del sistema de clasificación de viscosidad ISO (1921): La Organización Internacional de Normalización (ISO) estableció un sistema de clasificación de viscosidad para lubricantes, que permite la estandarización de los grados de viscosidad de los lubricantes en todas las industrias.

Introducción de la lubricación elastohidrodinámica (1949): Hersey y Tabor desarrollaron la teoría de la lubricación elastohidrodinámica (EHL), que describe la lubricación de contactos altamente cargados donde la deformación elástica de las superficies juega un rol importante.

Descubrimiento de la super lubricidad (1996): Investigadores de IBM descubrieron el fenómeno de la super lubricidad, donde la fricción prácticamente desaparece entre superficies atómicamente lisas que se deslizan entre sí bajo ciertas condiciones. Este hallazgo abrió nuevas posibilidades para reducir la fricción y el desgaste.

Avances en ingeniería de superficies y recubrimientos: El desarrollo de recubrimientos y tratamientos de superficies avanzados, como los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) y los recubrimientos de nanocompuestos, ha mejorado significativamente el desempeño tribológico de los materiales, reduciendo la fricción y el desgaste en diversas aplicaciones.

Progreso en tribología computacional: El uso de simulaciones por computadora y técnicas de modelado ha ampliado nuestra comprensión de los fenómenos tribológicos y ha permitido un diseño y una optimización más eficientes de los sistemas lubricados, incluida la predicción del comportamiento del desgaste y la fricción.

Aplicaciones modernas y tendencias futuras

La tribología tiene numerosas aplicaciones modernas y se espera que experimente emocionantes tendencias futuras. Estas son algunas de las aplicaciones modernas y tendencias futuras en tribología:

Eficiencia energética: La tribología es crucial para mejorar la eficiencia energética en varias industrias. Los avances tribológicos pueden generar importantes ahorros de energía y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero al reducir la fricción y el desgaste de la maquinaria y los motores.

Lubricantes avanzados: El desarrollo de lubricantes avanzados es un área crítica en la investigación de tribología. Los lubricantes modernos ofrecen un desempeño mejorado en condiciones extremas, como altas temperaturas y presiones, y brindan una mejor protección contra el desgaste y la reducción de la fricción.

Nanotribología: La nanotecnología ha traído avances significativos en tribología. El estudio de la nanotribología implica comprender el comportamiento de los materiales a nano escala, lo que permite el desarrollo de lubricantes, recubrimientos y modificaciones de superficies a nano escala para reducir la fricción y el desgaste.

Aplicaciones biomédicas: La tribología es vital en el campo de la ingeniería biomédica. Contribuye al diseño y desarrollo de articulaciones artificiales, prótesis y dispositivos médicos al garantizar un movimiento suave y sin fricción, minimizar el desgaste y mejorar la longevidad.

Sistemas microelectromecánicos (MEMS): Los MEMS son dispositivos en miniatura con componentes móviles, que a menudo se encuentran en sensores y actuadores. La tribología es fundamental para garantizar el funcionamiento confiable y preciso de estos dispositivos, optimizar su rendimiento y minimizar las fallas inducidas por el desgaste.

Tribocorrosión: La tribocorrosión es el efecto combinado de la fricción, el desgaste y la corrosión. Comprender y controlar la tribocorrosión es crucial en varias industrias como la automotriz, aeroespacial y marina para mitigar la degradación del material y mejorar la durabilidad.

Tribología computacional: Con el avance de los métodos computacionales y las simulaciones, la investigación de la tribología se basa cada vez más en modelos y simulaciones por computadora para estudiar fenómenos complejos, optimizar diseños y predecir el comportamiento de fricción y desgaste en diferentes condiciones operativas.

Tribología sostenible: La tendencia futura en tribología enfatiza la sostenibilidad y las consideraciones ambientales. Los investigadores se están centrando en desarrollar lubricantes, recubrimientos y materiales respetuosos con el medio ambiente que ofrezcan un rendimiento tribológico mejorado y minimicen el impacto ecológico.

Internet de las cosas (IoT) y monitoreo de condiciones: Las tecnologías de IoT, junto con sensores y análisis de datos, permiten el monitoreo en tiempo real de maquinaria y equipos. En tribología, esto permite el monitoreo de la condición, el mantenimiento predictivo y la optimización de las estrategias de lubricación, lo que lleva a una mayor vida útil del equipo y una reducción del tiempo de inactividad.

Estas aplicaciones y tendencias en tribología reflejan los esfuerzos continuos para mejorar la eficiencia, la durabilidad y la sustentabilidad en varias industrias, lo que convierte a la tribología en un campo esencial para los avances tecnológicos en el futuro.

Conclusión

La evolución histórica de la tribología muestra la búsqueda incesante de la humanidad por reducir la fricción y el desgaste. La tribología ha recorrido un largo camino, desde los crudos lubricantes de las civilizaciones antiguas hasta los avances científicos modernos. Las contribuciones de científicos, ingenieros e inventores notables han allanado el camino para un progreso significativo en varias industrias. Mientras miramos hacia el futuro, la investigación en curso en tribología seguirá impulsando la innovación y posibilitando maquinaria y materiales más sostenibles y eficientes. La tribología continúa evolucionando, esforzándose por mejorar la eficiencia, la confiabilidad y la sustentabilidad de los sistemas y dispositivos que dan forma a nuestro mundo moderno.

Fuente: Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América