O documento discute as leis fundamentais que regem as forças de atrito. Apresenta a definição de atrito e explica que é a força de resistência ao movimento entre superfícies. Também discute a importância do estudo das forças de atrito para melhorar a eficiência energética e reduzir as emissões de gases do efeito estufa. Explica que as forças de atrito podem ser interpretadas em nível nano através da contribuição fonônica da dissipação de energia nas vibrações químicas das superfícies em cont

1. Sobre as leis fundamentais que
regem as forças de atrito
Prof. Carlos A. Figueroa
Laboratório de Caracterização de Superfícies em NanoEscala
Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências dos Materiais
Área do Conhecimento de Ciências Exatas e Engenharias
Universidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul, RS, Brasil.

2. Mas, o que seriam as forças de atrito?
Definição: Atrito é a força de resistência ao movimento
relativo de superfícies sólidas, camadas fluídas e elementos
materiais se deslizando um contra o outro.

3. E sem forças de atrito, aconteceria isto aqui:
Uma simples
caminhada não
aconteceria sem as
forças de atrito!

4. http://climate.nasa.gov/climate_resources/139/
CAI, M. et al. 2013// 2013.
75% da energia mundial é produzida a
partir de combustíveis fósseis;
Preocupações globais:
• a solução para escassez energética;
• a redução da emissão de gases do efeito
estufa no que condiz as rígidas normas
de regulamentação ambiental;
Anomalias da temperatura global de 1947 e 2015.
Mas, por que estudar as forças de atrito?

5. Soluções:
Fontes de energias alternativas;
Melhora da eficiência energética;
O caminho de maior eficiência energética: pesquisa e
desenvolvimento em engenharia e ciência de superfícies (por
exemplo, atrito).
Perdas energéticas na transferência de movimento:
fenômenos tribológicos
HOLMBERG, K. et al. 2014.
TAYLOR, R. I. 2012.
Mas, por que estudar as forças de atrito?

6. Primeiros tribólogos: Leonardo da Vinci, Guillaume Amontons
(1663-1705), John Theophilius Desanguliers (1683-1744),
Leonard Euler (1707-1783) e Charles-Augustin Coulomb (1736-
1806).
Trabalhos do Leonardo da Vinci sobre a resistência
ao movimento em termos estáticos e dinâmicos

7. Guillaume Amontons (1663-1706)
1ª Lei do Atrito: A força de atrito é proporcional à força normal; e
2ª Lei do Atrito: A força de atrito é independente da área aparente de contato.
Charles-Augustin de Coloumb (1736-1806)
3ª Lei do Atrito: A força de atrito é independente da velocidade de deslizamento.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020768315000323
Outras teorias surgiram baseadas na mecânica de contato
(~ 1950) Bowden e Tabor.
tensão de cisalhamento das asperezas
raio da curvatura das asperezas
módulo de Young reduzido
Um pouco de história das leis do atrito (todas
fenomenológicas):

8. Correlaciona o fenômeno de atrito cinético
macroscópico com eventos de desgaste
em nanoescala (simulação teórica):
(*)S. J. Eder et al. Phys. Rev. Let., 115 (2015) 025502
Termo de Derjaguin Lei de Amontons-Coulomb
Força de atrito
Termo de Bowden-Tabor
A mais nova expressão para força de atrito
cinético (fenomenológica)(*):

9. Fenômeno de atrito. Indo do macro ao nano:
O desafio passa por interpretar as propriedades
macroscópicas que determinam o coeficiente de atrito
com os conceitos básicos como forças de atração e
repulsão, rigidez e energia de ligação química, fônons,
banda eletrônica, etc.
Razão q(carga)/r(raio) e
coeficiente de atrito vs. tipo
de óxido(*)
Lembram de Química
Inorgânica?
(*) A. Erdemir, Surf. Coat. Techn. 200 (2005) 1792.

10. Fenômeno de atrito. Indo do macro ao nano (*):
(*) Y. Mo et al., Nature 457, 1116–1119 (2009).
R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.
Um nano-mundo fascinante!

11. Os modelos do fenômeno de atrito em nanoescala(*):
Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno
de atrito
É um trabalho de microscopia de força atômica...é a camada
mais externa. Não uma interação com o volume do material.
(*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.

12. Aqui estão os fônons!
Os fônons são oscilações coletivas em uma arranjo periódico e elástico de átomos
ou moléculas em estado sólido e em alguns líquidos. O fônon é uma descrição
mecano-quântica de um movimento vibracional elementar no qual uma célula
unitária de átomos ou moléculas oscila uniformemente em uma frequência
determinada. Em mecânica clássica, essa oscilação é conhecida como modo normal.
Enquanto um modo normal possui uma interpretação de fenômeno ondulatório, o
fônon possui propriedades de onda e partícula, uma dualidade típica da mecânica
quântica.

13. A supercondutividade diminui o coeficiente de atrito em metais(1,2)
Energia requerida para
quebrar um par de Cooper
∼ 10-4 eV
Energia típica dos fônons
acústicos ∼ 10-6 eV
Contribuição via estados eletrônicos:
Nb
supercondutor Modelo
de amortecimento
ôhmico
(1)J. Krim, Adv. in Phys. 155-323 (2012) 61.
(2)M. Kisiel et al., Nature Mat. 119-122 (2011) 10.

14. (*) T. A. L. Burgo et al., Sci. Rep. 3 (2013) 2384.
Cargas eletrostáticas em polímeros (PTFE) podem controlar o
coeficiente de resistência ao rolamento (CoRR).(*)
Bolinhas de vidro = superfície hidrofílica
Bolinhas de vidro silanizadas = superfície hidrofóbica
Contribuições via cargas eletrostáticas:

15. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno
de atrito(*)
(*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.

16. A energia
dissipada
depende da
frequência de
vibração das
ligações químicas
na superfície do
material. Essa
energia dissipada
se traduz em
atrito.
Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno
de atrito(*)
(*) R. J. Cannara et al., Science 780-783 (2007) 318.

17. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do
fenômeno de atrito

18. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno
de atrito(*):
Dentro do erro experimental, parece não existir uma
dependência entre a força de atrito e a massa do elemento
absorvido.
(*) Y. Mo et al., PRB 80 (2009) 155438

19. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno
de atrito(*):
Crítica ao trabalho anterior (Science): resistência ao
cisalhamento depende da porcentagem de superfície
coberta pelos elementos absorvidos/ligados.
(*) Y. Mo et al., PRB 80 (2009) 155438

20. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno
de atrito:
Novos resultados que podem vir a encerrar a discussão

21. Contribuições (ou interpretação) fonônicas do fenômeno
de atrito: composição do material(*)
(*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.

22. Deslizamento unidirecional
Medição da força de atrito
por contato mecânico(*):
d = profundidade na ordem
dos nanometros (20 a 500 nm)
Pontas cônicas com raios de 10 e 25
µm (LACASUNE)
Força tangencial (de atrito)
medida por uma célula de carga
(*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.

23. Mudança da força de atrito com o conteúdo de deutério(*)
(*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.

24. (*) S. R. S. Mello et al., Sci. Rep. 7 (2017) 3242.
Comparativa com
modelos de dissipação
fonônica(*)
Nosso trabalho concorda
com os resultados
obtidos por AFM
(Science)

25. Coming soon!
Interações
elétricas nas
forças de atrito
de filmes
finos de a-C:H!

26. Coming soon!
0 10 20 30 40 50 60
1
2
3
4
Polarizability(α),x10
-24
cm
3
Number of electrons
Forças de
van der Waals
nas interações entre
átomos de gases nobres
He
a-C:H (+ H e - C)
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
Coefficientfriction,µ
Number of electrons
Forças de
van der Waals
determinando o atrito
em filmes de a-C:H?
Xe
a-C:H (- H e + C)
p = α E

27. Epílogo do seminário copiado
de:

28. Finalmente, quero agradecer ao Grupo Epipolé,
que faz acontecer toda esta magia!