Question:
Pourquoi l'huile est-elle un meilleur lubrifiant que l'eau?
ahemmetter
2016-06-03 12:04:22 UTC
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Pourquoi l'huile minérale est-elle un meilleur lubrifiant que l'eau, même si l'eau a une viscosité plus faible?

Sketch of the problem

Lorsque deux surfaces glissent l'une sur l'autre avec un espace rempli d'un fluide, les différentes couches du fluide sont entraînées à des vitesses différentes.La couche très supérieure touchant la surface métallique supérieure aura la même vitesse que la surface elle-même, tandis que la couche la plus inférieure est stationnaire.La vitesse dans les couches entre les couches est répartie linéairement et il existe des forces de frottement entre ces couches qui ralentissent le mouvement.Ces forces de frottement doivent cependant être réduites si un fluide de viscosité plus faible est choisi.

Comment se fait-il que ce ne soit pas le cas?

Cela a-t-il à voir avec la polarité de l'eau, de sorte qu'elle adhère aux surfaces d'une manière différente de celle de l'huile?

Je pense que la lubrification est une affaire extrêmement compliquée.Cependant, vous ne voulez pas en fait que la viscosité soit trop faible: un objectif critique des lubrifiants est d'éviter le contact métal sur métal qui est généralement rapidement fatal pour les machines, et pour ce faire, il doit être assez visqueux.
L'eau n'est pas * toujours * un pire lubrifiant.Avez-vous déjà vu ces panneaux «Plancher mouillé»?Les sols peuvent devenir extrêmement glissants en introduisant une infime quantité d'eau, bien plus qu'avec de l'huile.Les calottes glaciaires ou les navires sont un autre excellent exemple - prenez un bateau à eau, mettez-le dans le pétrole et il subira beaucoup plus de friction que dans l'eau.
L'eau est bonne pour la lubrification, le problème est qu'elle se vaporise comme un fou.À quoi sert un lubrifiant qui a disparu en 5 minutes?
@Luaan, clairement l'eau n'est pas toujours un pire lubrifiant que d'autres substances, mais il me semble que dans des conditions «domestiques» (comme se frotter les mains ou faire glisser une chaussure sur le trottoir), l'huile fait un meilleur travail.Le cas d'un navire nageant dans l'huile par rapport à l'eau ne dépend que de la viscosité du fluide, il s'agit simplement d'un problème de traînée laminaire ordinaire, et je ne suis pas sûr qu'il s'applique à la question initiale.
Le taux d'évaporation @Davor, est une autre bonne propriété à considérer.Mais si l'expérience est réalisée dans un court laps de temps, dans lequel l'évaporation peut être négligée, ce n'est probablement pas la principale cause de la différence.Il se peut que la viscosité et le taux d'évaporation soient liés d'une manière ou d'une autre, y a-t-il du matériel là-dessus?
Notre peau s'est développée avec un objectif: "ne pas glisser sur les surfaces aqueuses".Vous recherchez donc un matériau spécialement «conçu» pour empêcher le glissement, tout comme les semelles en caoutchouc de vos chaussures.Prenez une chaussure de la vieille école sans caoutchouc, et vous verrez qu'elle est extrêmement glissante sur les surfaces mouillées - les Européens médiévaux allaient pieds nus la plupart du temps, surtout en hiver.L'huile n'est pas couramment rencontrée dans la nature, il n'y avait donc pas beaucoup de pression pour rendre la peau résistante au glissement sur une surface grasse - en fait, la source d'huile la plus courante est * notre propre peau *, «conçue» pour la lubrification (entre autresdes choses).
Ce qui fait un «meilleur lubrifiant» n'est probablement pas uniforme pour chaque situation.Par exemple.la graisse est un excellent lubrifiant avec des ressorts à lames, précisément parce qu'elle est si visqueuse.
Serait-ce la taille de la molécule - séparant les parties?
Il convient de noter que l'eau a à la fois une capacité de lubrification nulle et une capacité de séparation nulle à des températures supérieures à 100 ° C - l'huile et la graisse ont toutes deux une plage de fonctionnement qui s'étend à des températures beaucoup plus élevées.
Ce n'est pas nécessairement le cas qu'il n'a aucune capacité de lubrification au-dessus de 100C.Par exemple.Les [roulements à feuille] (https://en.wikipedia.org/wiki/Foil_bearing) utilisés dans les moteurs à réaction sont lubrifiés à l'air.
Donc, pour résumer, un bon lubrifiant doit (au moins dans la plupart des cas) avoir une faible viscosité, être capable de séparer les pièces de la machine (ce qui pourrait être lié à une viscosité, une adhérence, une tension superficielle plus élevées), être non volatil, non corrosif, ont une faible interaction entre ses molécules (non polaires) et peuvent devoir servir à d'autres fonctions (liquide de refroidissement, protection antirouille) dans la plage de température prévue.
Six réponses:
Luboš Motl
2016-06-03 12:24:43 UTC
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Votre dérivation est composée d'énoncés corrects et en effet, si quelque chose est connu pour agir comme un lubrifiant, nous voulons que la viscosité soit aussi faible que possible car le frottement sera réduit de cette manière.Par exemple, le miel est un mauvais lubrifiant car il est trop visqueux.

Cependant, votre dérivation n'est pas toute l'histoire.La deuxième condition est que les deux surfaces doivent rester séparées.Si vous utilisez un lubrifiant de viscosité trop faible, les surfaces entreront en contact et le frottement d'origine réapparaîtra.

Le lubrifiant optimal est donc le liquide le moins visqueux, suffisamment visqueux pour séparer les surfaces.Laquelle d'entre elles est la meilleure dépend des surfaces détaillées et d'autres conditions.Par exemple, il existe des situations dans lesquelles l'eau est un meilleur lubrifiant que l'huile - par exemple lorsque la glace glisse sur la glace.Une partie de la glace fond et l'eau est la raison pour laquelle la glace glisse si bien.

Qu'en est-il de la tension superficielle et du mouillage?Ne devraient-ils pas aussi être un paramètre important?
Oui, ils sont également importants.Le mouillage diminue généralement avec la viscosité mais ils ne sont pas identiques.
La graisse est très visqueuse mais elle constitue un bon lubrifiant.Je pense que la propriété qui fait d'un liquide un bon lubrifiant n'a rien à voir avec sa viscosité.Prétendre que le miel est un mauvais lubrifiant parce qu'il est trop visqueux est tout aussi incorrect que de prétendre que l'huile est un bon lubrifiant parce qu'elle n'est pas visqueuse.
La graisse n'est certainement pas un bon lubrifiant pour les moteurs, etc. Elle est collante et on peut la sentir.L'OP a tout à fait raison qu'à la fin, la force de frottement est proportionnelle à la viscosité.
Quelle propriété physique d'un fluide (ou d'une poudre, d'ailleurs) contrôle à quel point il est "facile" pour les plaques de toucher?Est-ce aussi la viscosité?Ou peut-être aussi la tension superficielle, comme l'a mentionné @user_na, puisqu'elle s'opposerait à l'écrasement d'une gouttelette, lorsqu'une force est exercée sur la plaque supérieure pour réduire l'écart entre les plaques.Le mercure, par exemple, peut-il être utilisé comme lubrifiant dans au moins certains cas? Y a-t-il également des travaux sur la relation entre ces valeurs?
La graisse @Neil est souvent un lubrifiant terrible.C'est bien dans les cas où vous avez besoin de quelque chose qui restera là où il est (par exemple si vous avez des machines qui n'ont pas de mécanisme pour garder les surfaces de roulement couvertes d'huile) mais en général, vous utiliseriez de l'huile si vous le pouvez.Notez cependant que l'utilisation d'huile dans (disons) des moteurs de voiture est en grande partie due au fait qu'il s'agit également d'un liquide de refroidissement et que vous avez donc besoin d'un débit important à travers les roulements.La lunification est un sujet vraiment compliqué.
@tfb Aussi «mauvaise» que soit la graisse, elle est toujours utilisée comme lubrifiant, ce qui, si la viscosité d'un liquide détermine sa capacité à être un bon lubrifiant devrait le suggérer, ce devrait être un lubrifiant pire que l'eau.De plus, je trouve douteux que la graisse soit un lubrifiant si terrible.
Il pourrait également être bon de mentionner que l'eau est beaucoup plus susceptible d'endommager les choses que l'huile minérale et que le métal rouillé aura tendance à avoir plus de friction.
@Neil La viscosité n'est pas le seul déterminant et la dépendance à la viscosité n'est pas non plus monotone: l'eau n'est pas assez visqueuse, la graisse est (très souvent) trop visqueuse.C'est pourquoi, par exemple, les huiles moteur sont spécifiées par viscosité et ont souvent des additifs pour les faire se comporter comme une huile de viscosité plus élevée à chaud (10W-30 signifie `` comme 10W à froid, mais comme 30 à chaud '' où je pense«chaud» signifie 100 ° C).PS: essayez de lubrifier votre voiture avec de la graisse (pas si vous ne voulez pas en acheter une neuve) si vous pensez que c'est un lubrifiant raisonnable ...
@Niel Notez que la graisse est utilisée dans des endroits comme les joints de porte, où le frottement qui en résulte n'est pas un problème.Le joint ne bouge que de quelques millimètres lorsque vous ouvrez la porte, et vous ne voulez même pas un mouvement sans frottement, car certains frottements empêchent la porte de claquer.
"Liquide le moins visqueux suffisamment visqueux pour séparer les surfaces".Je l'aime.Explique pourquoi l'eau est un si bon lubrifiant pour les bateaux.Ils flottent.:)
@Neil: La viscosité est la caractéristique la plus importante, mais la graisse est pseudo-plastique, sa viscosité diminue sous cisaillement (fluidification par cisaillement).La viscosité chute à un point proche de la viscosité de son lubrifiant de base tel qu'une huile.Ainsi, il reste en place normalement * et * lubrifie entre les surfaces en raison de la baisse de viscosité.
@tfb C'était précisément ce que je voulais dire.La viscosité n'est pas le seul facteur ici.Heureux que nous soyons d'accord.
@LubošMotl Salut, il y a une chose qui ne me semble pas claire "* suffisamment visqueux pour séparer les surfaces *", comment la viscosité influence-t-elle le fait de séparer les choses ou de se rassembler?Cela ne vient pas de la définition et je ne vois aucun lien évident, surtout en ce qui concerne les surfaces.Je comprends qu'un objet tomberait plus lentement dans le miel que dans l'eau, mais je ne vois pas comment se transforme en "toucher" entre deux surfaces.Voudriez-vous expliquer ce détail?Peut-être dans la réponse, ce serait beaucoup plus clair de l'OMI.Ou est-ce évident?Personne n'a évoqué cela, alors peut-être que je suis un peu stupide.
@LubošMotl Juste peut-être pour élaborer un peu.Je pensais à deux objets dans un environnement liquide, disons deux draps ou même des mains, frottant l'un contre l'autre.Je ne vois pas en quoi le processus différerait dans l'eau et dans le miel en termes de proximité entre les surfaces.Il est plus difficile de les déplacer dans un environnement plus visqueux, mais est-il plus difficile de les garder à proximité également?J'espère que je suis clair (et ce n'est pas une question trop stupide).
Abhinav
2016-06-03 12:29:15 UTC
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Un bon lubrifiant A a tendance à minimiser efficacement le contact direct entre les composants de tout appareil qui en a besoin

En gardant cela à l'esprit, la viscosité n'est pas le seul facteur impliqué.Meulez une mine de crayon graphite, et cela fait un puissant lubrifiant fin.Il se peut que dans le cas de l'eau placée entre deux surfaces, une gouttelette d'eau qui était censée agir comme une couche intermédiaire, se déplace facilement, ce qui entraîne un contact intempestif entre les pièces autrement lubrifiées, entraînant une usure, tandis que les composants d'huileont tendance à rester en place en tant que milieu intermédiaire et à agir comme lubrifiant.Le graphite étant évidemment une poudre fine ne se comporte pas comme de l'eau.

Une excellente observation.La viscosité n'est pas le facteur décisif ici.
Le graphite broyé n'est pas un liquide (c'est pourquoi la viscosité est mal définie) et je pense qu'il ne devrait même pas être appelé un lubrifiant.C'est un roulement à rouleaux microscopique.Cela n'a vraiment rien à voir avec la question.
Le graphite n'est pas le seul lubrifiant solide.Il existe des lubrifiants solides et semi-solides à base de silicium, de céramiques, de bisulfure de molybdène, de nitrure de bore et de polytétrafluoréthylène.Le facteur commun à ces lubrifiants est leur structure moléculaire et leur faible liaison entre les molécules.
le talc est un autre lubrifiant solide, le graphite n'est pas des rouleaux, ses feuilles,
Dans le cas de lubrifiants solides comme les films minces, la * résistance au cisaillement * de la couche solide est généralement le facteur déterminant et peut être considérée comme l'équivalent de la * viscosité * du liquide.
La cire est un bon lubrifiant pour les glissières de tiroirs en bois.
@LubošMotl Graphite n'est pas un roulement à rouleaux microscopique mais ** est ** un lubrifiant.Il n'y a pas de nanobilles de graphite roulant entre les surfaces.Au début du glissement, le graphite recouvre les deux homologues remplissant tous les vides et le contact glissant entre, disons, les changements acier-acier / graphite en graphite-graphite.
@Crowley Je lisais sur les pistes d'air linéaires et il y a donc le coussin d'air supportant le mouvement libre du cavalier.Dans tous les cas, ce commentaire étant trop tardif, est-il correct de classer l'air comme lubrifiant?
@Abhinav Si cela empêche les surfaces de se toucher, pourquoi pas?J'utilise un appareil où l'air est utilisé et amorti.Le champ magnétique peut également être considéré comme une lubrification :-)
Chet Miller
2016-06-03 19:23:46 UTC
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La situation de plaque parallèle que vous décrivez n'est pas la condition typique rencontrée dans les opérations pratiques de lubrification.En plus de faciliter le glissement des surfaces les unes sur les autres, le roulement lubrifié doit également supporter une charge normale.Pour ce faire, l'écart entre les surfaces varie en fonction de l'emplacement le long du roulement.Par exemple, dans un palier à palier, l'arbre ne sera pas concentrique avec le manchon de palier et, dans un palier à glissière, la surface mobile forme un petit angle par rapport à la surface stationnaire.Ces caractéristiques de la géométrie permettent à la pression de s'accumuler dans l'espace entre les surfaces en raison d'une combinaison de flux de traînée et de flux de pression.Cela provoque une charge normale ascendante sur l'élément coulissant.Plus la viscosité du lubrifiant est élevée, plus la pression augmente et plus la charge normale que le roulement peut supporter est élevée.C'est pourquoi nous utilisons des lubrifiants avec une viscosité plus élevée que l'eau.

C'est la seule réponse complète à ce jour.
JustAGuest
2016-06-03 16:42:52 UTC
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Pourquoi le pétrole est glissant

Pour expliquer pourquoi le pétrole est glissant, il faut examiner son produit chimique Propriétés. Premièrement, le pétrole n'est pas polaire, ce qui signifie qu'il n'a pas de charge positive ou négative. Certaines molécules, comme l'eau, ont un «Distribution de charge», ce qui signifie que la molécule agit presque comme un batterie, une partie a une charge positive et une partie a une charge négative. Le résultat, parce que le positif est attiré par le négatif et vice versa, est-ce que l'eau et les autres molécules «polaires» adhèrent à L'une et l'autre. Le pétrole n’a pas ce problème, donc une molécule d’huile peut glisser sur une autre plus facilement qu'une molécule d'eau peut glisser un autre.

Ajoutant à la glissance de l'huile est sa tendance à former des couches par des forces appelées forces de Van der Waals, ou plus spécifiquement les forces de dispersion de Londres (un type de force de Van der Waals). Ces forces, qui sont les plus faibles connues en science, peuvent aider les anciens les choses ensemble, ce qui augmenterait les frictions. Cependant, les huiles ont le propriété unique de former des forces uniquement dans les couches car le les molécules sont essentiellement planaires. Planaire signifie simplement que les molécules sont plat comme le montre le schéma ci-dessous et ne prend de la place que par deux dimensions plutôt que trois. Sans projections auxquelles s'attacher, forces ne peut être distribué qu'à l'intérieur du plan et il n'y a donc aucune force liez une couche à la suivante. Ainsi, deux couches d’huile ne se lient pas à une seule un autre à un degré élevé. ...

Ce serait comme si le graphite était un bon lubrifiant, car il a également des structures planes à faible interaction qui peuvent glisser les unes sur les autres.Mais si la polarité était l'un des principaux facteurs, la térébenthine par exemple serait un lubrifiant exceptionnellement bon.
«Le carbone-graphite est un matériau auto-polissant et dimensionnellement stable. Les arbres polis à une finition de surface fine poliront le matériau de carbone-graphite à la même finition fine, donc un mince film hydrodynamique est suffisant pour assurer la lubrification.
"[...] Les matériaux de palier en plastique ou en polymère échouent souvent dans les applications immergées en raison de leur tendance à gonfler, à se ramollir ou à se détériorer. Les paliers métalliques sont souvent insatisfaisants car le film hydrodynamique fourni par les liquides à faible viscosité n'est pas assez épais pour surmonter la fortel'attraction atomique entre les roulements métalliques et l'arbre métallique. "- [flowcontrolnetwork.com] (http://www.flowcontrolnetwork.com/bearings-for-running-submerged-in-low-viscosity-liquids/)
@andynitrox - La térébenthine en tant que lubrifiant signifierait qu'elle est submergée (vous ne pouvez pas élucubrer de manière fiable avec un solvant volatil autrement) et que le roulement a été conçu pour cela.
"Aidez les vieilles choses ensemble" Je n'ai pas édité parce que je ne sais pas si c'est un [sic].
"Les forces de dispersion de Londres sont particulièrement utiles pour le fonctionnement des dispositifs adhésifs, car elles n'exigent aucune des surfaces pour avoir une polarité permanente."Je pense que cela a en grande partie à voir avec l '[adhérence] (https://en.wikipedia.org/wiki/Adhesion) de l'huile étant supérieure à celle de l'eau, en plus d'être la viscosité correcte pour l'application (en tant que principalréponse suggère, si votre lubrifiant peut être déplacé, cela ne fonctionnera pas).
@andynitrox Térébenthine * est * un très bon lubrifiant, dans les bonnes circonstances.Dans la plupart des conditions «à échelle humaine», il est trop volatil pour être bon pour cela.C'est aussi un bon solvant dans de nombreuses circonstances, et la dissolution de vos pièces de travail est un mauvais trait pour un lubrifiant.Il bénéficie cependant à la fois d'une viscosité assez faible et d'une non-polarité, qui sont tous deux des facteurs déterminants dans la performance globale du lubrifiant.En fin de compte, cependant, la question de savoir ce qui fait un bon lubrifiant est tout simplement une question trop compliquée pour être résolue par une ou deux propriétés de matériau de base.
Crowley
2016-06-07 19:13:41 UTC
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@tbf a raison; la lubrification et la tribologie en général sont compliquées. C'est pourquoi il y a beaucoup d'efforts pour le comprendre et pour concevoir des matériaux avancés.

Il existe plusieurs phénomènes qui provoquent la force de friction et ceux que vous avez négligés font que les huiles sont supérieures à l'eau dans la plupart des applications industrielles.

En glissement à sec, nous pouvons identifier adhérence (dominante pour deux surfaces vitreuses super lisses), aspérité saut et déformation (dominante pour deux surfaces rugueuses et dures) et labour (dominant pour le glissement d'une surface dure et rugueuse contre une surface molle). Certains ajoutent la liaison chimique comme cause distincte, d'autres la considèrent comme une partie de l'adhérence et d'autres la considèrent comme une condition.

Les lubrifiants sont choisis pour réduire la friction et l'usure et il n'y a pas de superlubrifiant universel idéal pour toute application. Il faut considérer:

  • Tous les matériaux en contact glissant;
  • Plage des forces appliquées;
  • Température;
  • Vitesses de glissement;
  • Environnement (débit air / liquide, environnement chimique, fréquence de glissement, présence de débris, ...)

A la question, l'huile minérale est un bon lubrifiant en cas de glissement de deux métaux car elle passive les surfaces et empêche leur contact (l'adhérence est donc négligée), si la viscosité est suffisamment faible elle diminue également l'interaction entre les aspérités des deux surfaces. D'autre part, l'eau peut réagir chimiquement avec les surfaces et, en raison de sa faible viscosité, ne peut pas empêcher l'interaction d'aspérité. Mais cela ne dit rien en général.

Remarques:
Le lubrifiant le plus répandu sur Terre est l'eau - les articulations des corps de tous les vertébrés sont lubrifiées à l'eau.
Comme l'a noté Abhinav, le graphite et tous les lubrifiants solides mentionnés dans les commentaires ci-dessous sa réponse sont de bons lubrifiants et vous ne pouvez pas définir la viscosité ici.
Les pompes turbomoléculaires utilisent des paliers magnétiques où le «lubrifiant» est le vide.

kamran
2016-06-10 00:28:25 UTC
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L'eau ne supporte pas les charges normales ainsi que l'huile.
L'eau est destinée à s'échapper des roulements haute pression vers les endroits inférieurs du presseur dans une boucle de lubrification ouverte, laissant les contacts des roulements.
L'eau peut créer des bulles autour des cavités et des coins et briser l'écoulement laminaire qui compromettra la séparation des pièces mobiles. L'eau réagira chimiquement avec les surfaces.
Il existe des lubrifiants conçus mécaniquement pour être proches de la viscosité de l'eau mais inertes chimiquement et avec une tolérance de température plus large comme les liquides de frein.
De nombreuses pièces tournantes à grande vitesse ont été conçues en tirant parti de la propriété porteuse de l'huile pour équilibrer activement et dynamiquement le système dans sa configuration appropriée sous une gamme de charges ou de régimes différents, ce qui est plus pratique avec l'huile.La transmission automatique n'est qu'un cas.



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