L’argomento “cuscinetti” è uno di quelli che appassionano i pattinatori: quante sfere? Quali materiali? Che grado ABEC? Che tipo di schermi? Come pulirli? Quale lubrificante utilizzare? Queste sono solo alcune delle domande che generano lunghe discussioni nei gruppi sportivi e nei blog: ognuno ha le proprie risposte, originali o derivanti dai consigli dei propri amici, conoscenti, compagni di squadra e cugini.
Vorrei cercare di dare un piccolo contributo personale su questo argomento, senza schierarmi troppo. L'intento è quello di fornire delle informazioni riguardo alle questioni che stanno alla base della meccanica di funzionamento dei cuscinetti, in modo tale che ciascuno possa approfondire la questione ed eventualmente ragionarci un po’ su.
In particolare, cercherò di rispondere ad una semplice domanda: perché lubrificare i cuscinetti? Si tratta, in realtà, di una questione non banale, la cui analisi ci consentirà di introdurre alcuni concetti interessanti riguardo al funzionamento di questi componenti, importanti per il buon funzionamento di un pattino a rotelle.
Partiamo da una considerazione che, probabilmente, vi sarà già familiare: lo scopo di un cuscinetto a sfere è quello di ridurre gli sprechi di energia dovuti agli attriti che si generano quando si pattina. L’attrito trasforma l’energia cinetica, prodotta dall’azione muscolare del pattinatore, in energia termica, e ci fa rallentare. In sostanza, una parte della colazione che abbiamo fatto, pattinando diventa inevitabilmente calore: l’obiettivo è ridurre questo spreco al minimo possibile. La migliore strategia disponibile, al momento, è quella di realizzare i dispositivi in movimento in modo tale che siano presenti, possibilmente, solo fenomeni di attrito volvente. Questo concetto vi sarà probabilmente familiare: l’attrito volvente è quello che si ha in caso di rotolamento, mentre l’attrito radente si verifica in caso di strisciamento. In genere, la resistenza prodotta dall'attrito volvente è molto minore rispetto a quella dovuta all'attrito radente (ma non sempre, pensate al caso del pattinaggio su ghiaccio), e questo fatto giustifica l’impiego dei cuscinetti. Notate, tuttavia, che l’attrito radente è fondamentale per la pratica del pattinaggio: è l’attrito radente statico che consente alle ruote ed ai cuscinetti di funzionare correttamente ed al pattinatore di effettuare spinte e curve.
Immaginiamo una sfera che rotola su un piano, ovvero una situazione abbastanza simile a quella che si verifica, internamente ad un cuscinetto, nel contatto tra una delle sfere presenti e le cosiddette piste, presenti sulla superficie dei due anelli -interno ed esterno-. Se la sfera ed il piano fossero geometricamente perfetti, realizzati con materiali infinitamente rigidi e chimicamente del tutto inerti, il contatto tra i due corpi considerati sarebbe limitato ad un punto e molto probabilmente la lubrificazione sarebbe inutile, ed -anzi- peggiorerebbe il rendimento del sistema. La realtà però è ben diversa: nessun materiale è indeformabile ed esiste sempre la possibilità che le parti in movimento possano formare legami chimici tra loro o con altre sostanze, come ad esempio i gas presenti nell’aria. Per questi motivi, si instaurano una serie di processi dissipativi, legati principalmente a due fattori:
- il contatto tra i due corpi non è puntiforme (e quindi infinitesimo), ma caratterizzato da un’impronta di dimensione finita, la cui area e forma può essere definita utilizzando la cosiddetta teoria di Hertz (lo scienziato che dà il nome all’unità di misura della frequenza, era un genio in diversi ambiti), che affrontò il problema già nel 1882, oppure altre teorie successive, in effetti piuttosto complesse.
- Le superfici di due corpi posti a contatto possono formare legami chimici tra loro e con le altre sostanze eventualmente presenti (ad esempio l’ossigeno presente nell’aria).
Il confronto tra il caso teorico ed il caso reale è rappresentato nella seguente figura, nella quale è stato evidenziato, in modo qualitativo, anche il profilo di pressione che si ha nel contatto sfera-piano.
(a) Caso teorico: corpi infinitamente rigidi. In rosa: picco di pressione nel punto di contatto.
(b) Caso reale: i materiali si deformano, si genera un'impronta di contatto e il picco di pressione si allarga e si abbassa.
Analizziamo ora, in maggiore dettaglio, il primo fattore considerato. Nel caso particolare di un cuscinetto, gli elementi volventi (ovvero le sfere), durante il funzionamento, seguono una traiettoria circolare, rotolando sulle piste ricavate sulla superficie dell’anello interno e di quello esterno. In un pattino, quando le sfere si trovano nella parte più bassa della loro traiettoria circolare, subiscono il massimo carico, dato da una frazione del peso del pattinatore, più eventuali contributi di tipo inerziale, ovvero legati alle accelerazioni presenti, derivanti ad esempio da irregolarità del manto stradale, esecuzione di salti e curve, ecc. In una frazione del percorso compiuto dalla sfera nei dintorni di questa condizione di massimo carico, il contatto Hertziano tra sfera e piste provocherà uno strisciamento di una certa intensità della sfera considerata sulla pista e, pertanto, vi sarà dissipazione di energia a causa di fenomeni di attrito radente. Il motivo è presto detto: consideriamo una circonferenza di diametro massimo posta in corrispondenza del piano di rotolamento passante per il centro della sfera ed una circonferenza più piccola, posta in coincidenza del punto estremo dell’impronta di contatto, come evidenziato nella seguente figura:
Entrambe le circonferenze considerate sono vincolate a restare a contatto con la pista durante il rotolamento, ma non possono farlo senza che vi sia strisciamento! Infatti, la circonferenza più esterna ha un diametro minore e quindi “farà meno strada” di quella di diametro maggiore, considerando -ad esempio- una rotazione completa della sfera: si parla quindi di scorrimento differenziale. Poiché la pressione di contatto è massima al centro dell’impronta, sarà la superficie della sfera corrispondente alla zona circostante alla circonferenza più piccola a strisciare contro la superficie della pista, mentre lo scorrimento differenziale sarà nullo in corrispondenza della circonferenza di dietro maggiore.
Conclusione 1: nel sistema considerato, durante il rotolamento si ha, inevitabilmente, anche strisciamento, a causa del fatto che i materiali con cui vengono realizzati i due elementi posti a contatto non sono infinitamente rigidi. Questo fatto genera una resistenza al rotolamento a causa del fenomeno descritto.
Per quanto riguarda il secondo fattore considerato: è noto che due superfici metalliche pulite e poste a contatto, possono sviluppare dei legami chimici, che si manifestano in modo molto evidente in talune circostanze, ad esempio quando il contatto avviene in condizioni di estrema pressione o in assenza di contaminazioni superficiali. Un caso tipico è il grippaggio di due componenti meccanici; tuttavia anche il contatto sfera-pista in un cuscinetto non è esente dal problema. Possono manifestarsi, infatti, fenomeni di “incollaggio” a livello microscopico, tra i diversi componenti, con conseguente dissipazione di energia derivante dalla formazione e dalla rottura di legami chimici, nonché usura delle parti interessate per plasticizzazione localizzata e distacco di micro-particelle dalle superfici.
Conclusione 2: un cuscinetto può risentire di fenomeni di incollaggio e plasticizzazione localizzati, che possono dare un contributo alla resistenza al rotolamento.
Globalmente quindi, si può dire che, in una situazione reale, un cuscinetto a sfere non potrà garantire in nessun caso una resistenza legata all’attrito volvente pari a zero, offrendo tuttavia un miglioramento sostanziale rispetto a situazioni in cui a prevalere siano fenomeni di attrito radente puro.
Vediamo ora come l’uso di un opportuno lubrificante può contribuire a migliorare la situazione.
In primo luogo, un lubrificante scelto con oculatezza, può ridurre l’energia dissipata e l’usura legate allo strisciamento sfera-pista illustrato in precedenza. Può farlo interponendosi tra i due componenti: sempre meglio l’attrito derivante dalla presenza di un fluido viscoso che quello radente generato dal contatto diretto di due parti metalliche! Affinché lo stratagemma funzioni, il lubrificante in questione deve avere la giusta viscosità e capacità di aderire alla superficie metallica: altrimenti, a causa delle elevate pressioni locali presenti nel contatto Hertziano, verrebbe “spremuto” fuori dalla zona di interesse e la sua efficacia risulterebbe molto scarsa (è probabilmente il caso, ad esempio, del famoso WD40). Non è nemmeno il caso di esagerare inutilmente con la viscosità del lubrificante, tuttavia, perché fluidi molto viscosi dissipano maggiori quantità di energia deformandosi (è il caso del grasso). Come va fatta, quindi, la scelta? Ci sono diversi fattori in gioco: velocità di rotazione, caratteristiche reologiche del lubrificante, curve di Stribeck…ma di questo parleremo un’altra volta. Per restare sul tema, avete mai notato che un cuscinetto non lubrificato, quando viene utilizzato, tende a cigolare? Il motivo è che lo scorrimento differenziale presente nel contatto sfere pista, in determinate condizioni, può avvenire sulla base di un processo denominato stick-slip, ovvero non con moto uniforme, bensì a scatti. Si tratta dello stesso meccanismo per il quale una porta può cigolare, in corrispondenza dei cardini, quando viene mossa.
In secondo luogo, un lubrificante può impedire efficacemente la formazione di legami chimici tra le parti in movimento: in questo modo può ridurre la resistenza al rotolamento legata al secondo fattore considerato, riducendo al contempo l’usura del cuscinetto. Va inoltre considerato il fatto che l’acciaio con cui vengono realizzati i componenti dei comuni cuscinetti può andare incontro a fenomeni di ossidazione generale o localizzata in conseguenza del contatto con l’ossigeno atmosferico e dell’umidità, con conseguente perdita di materiale sottoforma di…ruggine. Un buon lubrificante è progettato anche per proteggere le parti meccaniche da questo tipo di processi.
Va detto che vi sono anche altri buoni motivi per non operare i vostri cuscinetti “a secco”: ad esempio, sappiamo tutti che le sfere vengono mantenute nella corretta posizione le une rispetto alle altre dal componente denominato “gabbia”. Quest’ultima può essere realizzata in acciaio o in materiale plastico, ma in ogni caso si tratta di un componente che striscia localmente sulla superficie delle sfere durante il funzionamento del cuscinetto: un’opportuna lubrificazione può contribuire a ridurre l’energia dissipata da questo (inevitabile) contatto.
Conclusione generale: lubrificare un cuscinetto è un’operazione fondamentale, per i motivi analizzati. Il lubrificante va scelto opportunamente: alcuni dei criteri di selezione derivano direttamente da quanto detto: potete dedurre facilmente il fatto che l’impiego di lubrificanti estemporanei (olio di oliva, olio di paraffina, grasso nautico, WD40, ecc.) probabilmente non condurrà ai risultati desiderati, o quantomeno non vi consentirà di ottenere il massimo dai vostri costosi cuscinetti, sia in termini di prestazioni che di durata.
Come vi dicevo, ci sono molti altri fattori che condizionano la scelta di un lubrificante adatto per una specifica applicazione: di questo vi parlerò in un’altra occasione.
Il vostro Skateguru
