La historia de la tribología

La necesidad agudiza el ingenio: Los hombres del Neolítico (4000 - 1800 a.C.) ya debieron tener esta sensación. Ciertamente, se puede asumir que los sumerios y los egipcios utilizaban "lubricantes" para reducir la fricción (betún, aceites animales y vegetales, agua).

Los ejemplos son numerosos:

• Base sencilla para generar fuego y para crear perforaciones a través de movimientos de rotación
  
• Torno con soporte de piedra y madera 
  
• Soportes de ejes con correas de cuero para vehículos de rodillos y ruedas
  
• Uso de lubricantes como aceite, grasa y agua
  
• Construcción de carros para el transporte de piedras pesadas
  

Así, los sumerios, hace unos 3.000 años, ya utilizaban en sus carros correas de cuero y horquillas invertidas para el apoyo de los ejes rígidos. Los hallazgos muestran que estos puntos de contacto se lubricaban para reducir la fricción y, con ello, reducir también el desgaste.

El rodamiento debe su nombre y su origen a los "elementos rodantes" las maderas redondas que utilizaban los egipcios en tiempos de faraones.
Este método permitía aumentar la velocidad de trabajo, solucionar el problema de la fricción y que las tareas fueras menos duras.
La idea de sustituir la fricción de deslizamiento por fricción de rodadura se remonta al pasado más remoto de la historia de la civilización.

Algunos relieves egipcios muestran el transporte de enormes bloques de piedra que se utilizaban para la construcción de monumentos y que se deslizaban sobre troncos de árboles en lugar de rodillos.

Existen evidencias gráficas sobre cómo el transporte de algunas estatuas egipcias en el 1.880 a.C., aproximadamente, en la tumba de Tehuti-hetep, El-Bersheh, se realizaba ya con patines lubricados:

En esta imagen, se ve claramente a un hombre vertiendo lubricante frente a las superficies de deslizamiento. El pie de foto muestra el agua como lubricante, mientras que en una inscripción que acompaña a la imagen, se nombra al aceite de oliva como lubricante.

Con lubricación, todo funciona mejor. Eso ya lo sabían los antiguos egipcios.

La base del trono del faraón se humedecía con aceite de oliva. Con la reducción de la fricción, se conseguía reducir también el personal de transporte necesario en un 50%.

En las siguientes épocas, se utilizaban especialmente aceites vegetales y grasas animales como lubricantes y sustancias antidesgaste. Sin embargo, es de suponer que el betún (petróleo emergente de la tierra) se seguía utilizando como en la antigüedad.

Documentos más antiguos sobre el uso de ruedas para reducir la fricción.

El ingeniero griego Diades probablemente desarrolló uno de los primeros rodamientos para el alojamiento de los arietes de los carros de guerra.

Los restos de una plataforma giratoria procedente de una nave del emperador Calígula y que se encontraron en el año 1930 en el fondo del lago Nemi, dan muestra de que en la antigüedad ya se utilizaban cojinetes rudimentarios.

Esta plataforma puede considerarse uno de los primeros ejemplos de rodamientos de presión, es decir, un cojinete diseñado para recibir cargas directas y que gira alrededor de su eje.

"Las ciencias mecánicas son las más nobles y útiles, ya que, gracias a ellas, todos los cuerpos animados ejecutan la operación para la cual se diseñaron".
Esta cuestión sólo comenzó a considerarse desde un punto de vista científico en la historia reciente, comenzando con Leonardo da Vinci, quien, en el año 1500, trató el tema de la fricción, el examinar el coeficiente de rozamiento (coeficiente de rozamiento estático) en un plano inclinado. Da Vinci determinó el valor del coeficiente de rozamiento con f = ¼ y formuló las leyes del rozamiento seco.

Da Vinci realizó estudios sobre el rozamiento en superficies horizontales e inclinadas y sobre el desgaste de los rodamientos lisos. De estos estudios derivaron la primera y segunda ley de rozamiento de Leonardo da Vinci.
En 1490, Leonardo da Vinci sustituyó casi exclusivamente en un rodamiento la unión móvil entre dos partes a través de una menor fricción de rodadura. Para ello, utilizó bolas.

Llegó a la conclusión de que el rozamiento era menor cuando las bolas no se tocaban. A raíz de ello, desarrolló elementos de separación que deberían permitir que las bolas se movieran libremente.

Ilustraciones de los experimentos de Leonardo da Vinci sobre el rozamiento

El Renacimiento se considera el comienzo real de la tribología. Sin embargo, los conocimientos básicos sobre fricción y desgaste no implican nuevos desarrollos de los lubricantes.

Fue un físico y gobernador francés de Lille. 

Realizó estudios en el ámbito de la fricción mixta y comprobó que la fuerza de rozamiento depende de la fuerza normal y que la rugosidad de la superficie debía tratarse como origen de la fricción.
Amontons atribuyó la fricción a causas mecánico-geométricas en cuanto a un "dentado" de desigualdades. Esta teoría del endentado afirmaba: La unión continua de las microelevaciones interrumpe el movimiento relativo y genera una fuerza de rozamiento opuesta a la dirección de movimiento. Amontons determinó el coeficiente de rozamiento en f = 1/3.

Las dos leyes de Amontons constituyen la base de la comprensión empírica de la tribología. Fueron redescubiertas por él y las presentó, en 1699, a la Academia Real. El verdadero descubridor fue, unos dos siglos antes, Leonardo da Vinci (1452-1519).

Estas leyes afirman que la fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal e independiente de la superficie de contacto aparente. Además, debe tenerse en cuenta que la fuerza de rozamiento no sólo depende de la adhesión, sino que también depende de la abrasión. La abrasión tiene un efecto especialmente importante cuando la superficie rugosa de contacto está hecha de un material más duro o cuando, en el punto de contacto, existe abrasión en forma de duras partículas de metal oxidado.

Fue un filósofo natural nacido en Francia. 

Desagulier desarrolló un modelo para explicar el rozamiento y lo atribuyó a la influencia de la cohesión y de la adhesión

Desagulier (1683-1744) introdujo un nuevo aspecto: Señaló que con superficies mejor pulidas se produce una mayor fuerza de rozamiento y también mostró que dos cuerpos de plomo bien pulidos y apretados sólo podían separarse por medio de una fuerza sorprendentemente elevada: Con ello, reconocía la importancia tanto de la adhesión como de la cohesión para el proceso de fricción. Sin embargo, no pudo poner su idea de acuerdo con las leyes de rozamiento cuantitativas.

Newton define la viscosidad.

La teoría de la adhesión, así como la hipótesis de una causa moleculo-mecánica del rozamiento surgieron cuando NEWTON (1687) definió el parámetro conocido como viscosidad dinámica. La base de esta definición está en el concepto de una causa moleculo-mecánica de la fricción.

Euler estudió el rozamiento en planos inclinados y determinó que el rozamiento estático es aproximadamente el doble de grande que la fricción de deslizamiento. Además, introdujo el coeficiente de rozamiento "µ".

Coulomb desarrolló las ideas básicas de Amontons en cuanto a la rugosidad superficial y la fricción mixta y trató la relación entre las fuerzas horizontales y la componente del peso

Según el modelo de Coulomb, el coeficiente de rozamiento de una superficie de este tipo de depende de la carga, es decir, que la fuerza de rozamiento es proporcional al peso. El rozamiento es independiente de la superficie, ya que sólo es una función del ángulo medio de inclinación de la rugosidad. Cuanto más lisa sea la superficie, más pequeño debe ser el coeficiente de rozamiento. Una consecuencia que se correspondía con las ideas anteriores y que llevó al reconocimiento del modelo de Coulomb. Sin embargo, el modelo de Coulomb tenía un fallo determinante: no dispone de componentes disipativos. La energía consumida al subir un plano inclinado debe generarse al bajarlo deslizándose por el lado opuesto. Por lo tanto, según Coulomb, la fricción de deslizamiento no es un proceso que consuma energía.

Modelo de rugosidad del rozamiento de Coulomb. La fuerza normal, FN, se distribuye entre las elevaciones con el mismo ángulo de inclinación.

La primera patente conocida de un rodamiento ranurado de bolas fue de Philip Vaughan, Inglaterra.

Philip Vaughan († 1824 en Kidwelly) de Carmarthen, fue un fundidor de hierro que inventó, en 1791, el rodamiento de bolas, patentándolo en 1794.

El mecanismo del rodamiento, así como el del rodamiento de bolas, fue inventado en el siglo XVIII, cuando en Inglaterra se utilizó un eje para los estribos de los caballos con un anillo de rodamiento de bolas en las ranuras de los surcos parciales semicirculares, repartidos a lo largo de dicho eje.

Tuvimos que esperar hasta la revolución industrial para conseguir avances en el desarrollo de lubricantes. Esto se debió a los conocimientos de mecánica de fluidos y el flujo viscoso, así como a la creciente demanda del desarrollo industrial de volumen y calidad de los lubricantes y a la rápida sustitución de los aceites vegetales y animales por aceites minerales. Este último se obtiene por destilación y refinación de petróleo, esquisto y carbón.

Rodamiento de rodillos cónicos patentado por M. Cardinet, Francia
Este cojinete es muy resistente tanto en la dirección radial como axial. Normalmente se construye en parejas: Dos cojinetes se colocan uno en frente de otro, ya que consta de dos elementos sueltos: el anillo interior con elementos rodantes y el anillo exterior como buje.

Los elementos rodantes del anillo interior tienen la forma de un cono truncado y, además, están ligeramente inclinados hacia el eje geométrico de árbol. La holgura es regulable. Los ejes cónicos del anillo interior, exterior y de los rodillos cónicos se encuentran en un punto del eje de rotación, ya que sólo así los rodillos cónicos pueden rodar sin que resbale.

Primer pozo petrolífero en Titusville.

Los componentes de lubricación experimentaron un gran avance en el siglo XIX en el marco de la industrialización. En este momento existía una gran necesidad de cojinetes de fabricación industrial como elementos de maquinaria. Los componentes principales de los rodamientos son dos anillos móviles uno con otro, los anillos interior y exterior, separados por medio del elemento rodante. En la mayoría de los casos, los elementos rodantes se guían por una corona que se los mantiene a una distancia constante entre sí y que evita un contacto mutuo.

La época entre 1850 y 1925 se conoce como la de los "avances técnicos". El ferrocarril representa el centro de los acontecimientos sociales. De la lubricación sólida (precursora de las grasas), se pasa a los lubricantes líquidos para la lubricación de rodamientos y correderas. Con inventos importantes se asentaron las bases de la tribología moderna. Las mayores exigencias disponían de cantidades casi ilimitadas de un lubricante barato: el aceite lubricante mineral, cuya amplia gama cualitativa podía utilizarse en casi cualquier rama de la técnica.

La verdadera era de la tribología comenzó tras la Primera Guerra Mundial. Cargas, velocidad y temperaturas elevadas marcaron un mayor desgaste del par de fricción. Los límites de las características físicas de los lubricantes tuvieron que adaptarse a condiciones más estrictas.     

Así como los pasos previos del desarrollo tecnológico y de la aditivación se remontan al siglo XIX, los conceptos modernos de esta aditivación de lubricantes sólo comenzaron en los años 30 del último siglo. Aparecieron mejoradores del índice de viscosidad, mejoradores del punto de escurrimiento, inhibidores de la oxidación y la corrosión, etc. Es decir, una gama completa de procedimientos de protección. Paralelamente, comenzó el desarrollo de los aceites sintéticos, a causa de los desgastes extremos generados por las temperaturas elevadas y muy elevadas. A pesar de su gran importancia, la proporción de lubricantes sintéticos sólo es de un 5% de los lubricantes convencionales. Tras la Segunda Guerra Mundial, se confrontaba con el lubricante sólido de disulfuro de molibdeno (MoS2), un lubricante excepcional para condiciones excepcionales: perfecto para su uso en la investigación espacial.

El término tribología fue acuñado en 1966 en relación con el Informe Jost, un estudio encargado por el gobierno inglés sobre los daños causados por el desgaste y, desde entonces, se utiliza en relación con la fricción, es desgaste y la lubricación.

En los últimos siglos, la necesidad de aceites lubricantes ha aumentado de manera drástica: Para garantizar una lubricación segura, se utilizaban cada vez más lubricantes sintéticos que, por su parte, están fabricados principalmente con petróleo pero a través de una síntesis química. Los aceites lubricantes sintéticos se caracterizan por su elevada estabilidad térmica, su bajo coeficiente de rozamiento, su buena humectabilidad metálica, su reducida volatilidad, su miscibilidad en agua y son altamente inflamables.

Las grasas lubricantes son parientes cercanos de los aceites lubricantes   
Para muchos puntos de lubricación se utiliza la grasa en lugar del aceite, ya que el aceite se derramaría. Las grasas son aceites espesados. Como espesante se utilizan, por ejemplo, el litio, calcio o el aluminio, o espesantes inorgánicos (por ejemplo, la bentonita).

El campo de aplicación de los lubricantes es muy importante, ya que "sin lubricación, nada funciona".