Почему масло лучше смазочного материала, чем вода?

Почему минеральное масло является лучшей смазкой, чем вода, хотя вода имеет меньшую вязкость?

Эскиз проблемы

Когда две поверхности скользят друг по другу с зазором, заполненным жидкостью, разные слои жидкости тянутся с разной скоростью. Самый верхний слой, касающийся верхней металлической поверхности, будет иметь ту же скорость, что и сама поверхность, а самый нижний слой неподвижен. Скорость в слоях между ними распределяется линейно, и между этими слоями существуют силы трения, замедляющие движение. Однако эти силы трения должны быть уменьшены, если выбрана жидкость с более низкой вязкостью.

Почему это не так?

Связано ли это с полярностью воды, так что она прилипает к поверхностям иначе, чем масло?

Я думаю, что смазка — чрезвычайно сложный процесс. Однако на самом деле вам не нужно, чтобы вязкость была слишком низкой: критическая цель смазочных материалов состоит в том, чтобы предотвратить контакт металла с металлом, который обычно быстро губителен для оборудования, и для этого он должен быть достаточно вязким.
Вода не всегда является худшей смазкой. Вы когда-нибудь видели таблички "Мокрый пол"? Полы могут стать очень скользкими при добавлении небольшого количества воды, гораздо более скользкой, чем при использовании масла. Ледяные щиты или корабли — еще один отличный пример — возьмите водный корабль, поместите его в масло, и он будет испытывать гораздо большее трение, чем в воде.
Вода хорошо смазывает, проблема в том, что она испаряется как сумасшедшая. Что хорошего в смазке, которая заканчивается через 5 минут?
@Luaan, ясно, что вода не всегда является худшей смазкой, чем другие вещества, но мне кажется, что в «бытовых» условиях (например, при трении рук или скольжении обуви по тротуару) масло работает лучше. Случай плавания корабля в нефти и воде зависит только от вязкости жидкости, это просто обычная проблема ламинарного сопротивления, и я не уверен, применимо ли это к исходному вопросу.
@Davor, скорость испарения - еще одно хорошее свойство, которое следует учитывать. Но если эксперимент проводится в течение короткого промежутка времени, когда испарением можно пренебречь, оно, вероятно, не является основной причиной различий. Может быть, вязкость и скорость испарения как-то связаны, есть материал по этому поводу?
Наша кожа разрабатывалась с одной целью: «не скользить по водным поверхностям». Итак, вы ищете материал, специально «разработанный» для предотвращения скольжения, точно так же, как резиновые подошвы вашей обуви. Возьмите олдскульную обувь без резины, и вы увидите, что она очень скользкая на мокрой поверхности — средневековые европейцы большую часть времени ходили босиком, особенно зимой. Масло редко встречается в природе, поэтому не было особого стремления сделать кожу устойчивой к скольжению по маслянистой поверхности — на самом деле, наиболее распространенным источником масла является наша собственная кожа , «предназначенная» для смазки (среди прочего) . .
То, что делает «лучший смазочный материал», вероятно, не является одинаковым для каждой ситуации. Например. смазка является отличной смазкой для листовых рессор именно потому , что она очень вязкая.
Может быть, дело в размере молекулы, удерживающей части друг от друга?
Стоит отметить, что вода имеет нулевую смазывающую способность и нулевую разделительную способность при температурах выше 100°C - и масло, и смазка имеют рабочий диапазон, который простирается до гораздо более высоких температур.
Не обязательно, что она имеет нулевую смазывающую способность при температуре выше 100°С. Например , фольговые подшипники , используемые в реактивных двигателях, смазываются воздухом.
Подводя итог, можно сказать, что хорошая смазка должна (по крайней мере, в большинстве случаев) иметь низкую вязкость, быть способной разделять части машины (что может быть связано с более высокой вязкостью, адгезией, поверхностным натяжением), быть нелетучей, некоррозионной. , имеют низкое взаимодействие между своими молекулами (неполярные) и могут потребоваться для выполнения других функций (охлаждающая жидкость, защита от ржавчины) в предполагаемом диапазоне температур.

Ответы (6)

Ваш вывод состоит из правильных утверждений, и действительно, если известно, что что-то действует как смазка, мы хотим, чтобы вязкость была как можно ниже, потому что таким образом будет уменьшено трение. Например, мед — плохая смазка, потому что он слишком вязкий.

Однако ваш вывод — это еще не все. Второе условие состоит в том, что две поверхности должны оставаться на расстоянии друг от друга. Если вы используете смазку со слишком низкой вязкостью, поверхности соприкоснутся, и снова появится первоначальное трение.

Таким образом, оптимальной смазкой является наименее вязкая жидкость, достаточно вязкая, чтобы удерживать поверхности друг от друга. Какой из них является оптимальным, зависит от детализированных поверхностей и других условий. Например, бывают ситуации, когда вода является лучшей смазкой, чем масло, например, когда лед скользит по льду. Часть льда тает, и именно благодаря воде лед так хорошо скользит.

Как насчет поверхностного натяжения и смачивания? Разве они не должны быть важным параметром?
Да, они тоже важны. Смачивание обычно уменьшается с увеличением вязкости, но они не идентичны.
Смазка очень вязкая, но она является хорошей смазкой. Я думаю, что свойство, которое делает жидкость хорошей смазкой, никак не связано с ее вязкостью. Утверждать, что мед — плохая смазка, потому что он слишком вязкий, так же неверно, как и утверждать, что масло — хорошая смазка, потому что оно не вязкое.
Смазка, конечно, не очень хорошая смазка для двигателей и т. д. Она липкая, и это чувствуется. ОП абсолютно прав в том, что в конце концов сила трения пропорциональна вязкости.
Какое физическое свойство жидкости (или порошка, если уж на то пошло) определяет, насколько «легко» касаться пластин? Это тоже вязкость? Или, может быть, также поверхностное натяжение, как упомянул @user_na, поскольку оно будет препятствовать раздавливанию капли, когда на верхнюю пластину действует сила, чтобы уменьшить зазор между пластинами. Можно ли, например, использовать ртуть в качестве смазки хотя бы в некоторых случаях? Есть ли какая-нибудь работа по взаимосвязи между этими ценностями?
@Neil Grease часто бывает ужасной смазкой. Это хорошо в тех случаях, когда вам нужно что-то, что останется там, где оно есть (например, если у вас есть оборудование, в котором нет механизма для покрытия поверхностей подшипников маслом), но, как правило, вы бы использовали масло, если бы могли. Обратите внимание, однако, что большая часть причин использования масла, скажем, в автомобильных двигателях, заключается в том, что оно также является охлаждающей жидкостью, и поэтому вам нужен значительный поток через подшипники. Лунрикация - действительно сложная тема.
@tfb Какой бы «плохой» ни была смазка, она по-прежнему используется в качестве смазки, которая, если вязкость жидкости определяет ее способность быть хорошей смазкой, должна предполагать, что она должна быть худшей смазкой, чем вода. Кроме того, я нахожу сомнительным, что консистентная смазка является такой ужасной смазкой.
Также было бы неплохо упомянуть, что вода с гораздо большей вероятностью повредит вещи, чем минеральное масло, а ржавый металл будет иметь большее трение.
@Neil Вязкость - не единственный определяющий фактор, и зависимость от вязкости также не монотонна: вода недостаточно вязкая, смазка (очень часто) слишком вязкая. Вот почему, например, моторные масла определяются по вязкости и часто имеют присадки, которые заставляют их вести себя как масло с более высокой вязкостью в горячем состоянии (10W-30 означает «как 10 Вт в холодном состоянии, но как 30 в горячем», где я думаю «горячий» означает 100°С). PS: попробуйте смазать машину консистентной смазкой (если не хотите покупать новую), если считаете, что это подходящая смазка...
@Niel Обратите внимание, что смазка используется в таких местах, как дверные стыки, где возникающее трение не является проблемой. Шарнир перемещается всего на пару миллиметров, когда вы открываете дверь, и на самом деле вам даже не нужно движение без трения, поскольку некоторое трение предотвращает захлопывание двери.
«Наименее вязкая жидкость, достаточно вязкая, чтобы отделить поверхности». Мне это нравится. Объясняет, почему вода является такой хорошей смазкой для лодок. Они плавают. :)
@Neil: Вязкость является наиболее важной характеристикой, но смазка является псевдопластичной, ее вязкость уменьшается при сдвиге (разжижении при сдвиге). Вязкость падает до точки, близкой к вязкости его базовой смазки, такой как масло. Таким образом, он и остается на месте нормально , и смазывает поверхности из-за падения вязкости.
@tfb Именно это я и имел в виду. Вязкость здесь не единственный фактор. Рад, что мы согласны.
@LubošMotl Привет, мне не ясно одно: « достаточно вязкий, чтобы разъединить поверхности », как вязкость влияет на разделение или соединение вещей? Это не исходит из определения, и я не вижу никакой очевидной связи, особенно когда речь идет о поверхностях. Я понимаю, что объект будет падать в меду медленнее, чем в воду, но я не понимаю, как это превращается в «соприкосновение» между двумя поверхностями. Не могли бы вы объяснить эту деталь? Возможно, в ответе было бы намного яснее ИМО. Или это очевидно? Никто не поднимал этот вопрос, так что, может быть, я немного глуп.
@LubošMotl Просто, может быть, немного уточнить. Я думал о двух объектах в жидкой среде, скажем, о двух простынях или даже о руках, трущихся друг о друга. Я не вижу, чем процесс будет отличаться в воде и в меде с точки зрения близости между поверхностями. Их труднее перемещать в более вязкой среде, но сложнее ли держать их рядом? Я надеюсь, что я ясно (и это не слишком глупый вопрос).

Хорошая смазка имеет тенденцию эффективно минимизировать прямой контакт между компонентами любого устройства, которое в ней нуждается.

Имея это в виду, вязкость - не единственный фактор. Измельчите грифель графитового карандаша, и из него получится отличная смазка. Возможно, что в случае воды, помещенной между двумя поверхностями, капля воды, которая должна действовать как промежуточный слой, легко смещается, что приводит к несвоевременному контакту между смазываемыми другими частями, что приводит к износу, в то время как масляные компоненты имеют тенденцию оставаться на месте в качестве промежуточной среды и действовать как смазка. Графит, будучи мелкодисперсным порошком, не ведет себя как вода.

Отличное наблюдение. Вязкость здесь не является решающим фактором.
Измельченный графит не является жидкостью (поэтому вязкость определена нечетко), и я думаю, что его даже нельзя называть смазкой. Это микроскопический роликовый подшипник. Это действительно не имеет ничего общего с вопросом.
Графит — не единственная твердая смазка. Существуют твердые и полутвердые смазки из кремния, керамики, дисульфида молибдена, нитрида бора и политетрафторэтилена. Общим фактором в этих смазочных материалах является их молекулярная структура и слабая связь между молекулами.
тальк - еще одна твердая смазка, графит - не ролики, его листы,
В случае твердых смазочных материалов, таких как тонкие пленки, прочность твердого слоя на сдвиг обычно является определяющим фактором и может рассматриваться как эквивалент вязкости жидкости.
Воск — хорошая смазка для деревянных направляющих ящиков.
@LubošMotl Графит - это не микроскопический роликоподшипник, это смазка . Графитовые наношарики не катаются между поверхностями. В начале скольжения графит покрывает обе части, заполняя все пустоты, и скользящий контакт между, скажем, сталь-сталь/графит меняется на графит-графит.
@Crowley Я читал о линейных воздушных гусеницах, и поэтому есть воздушная подушка, поддерживающая свободное движение всадника. В любом случае, если этот комментарий запоздал, правильно ли классифицировать воздух как смазку?
@Abhinav Если он предотвращает соприкосновение поверхностей, то почему бы и нет? Я использую устройство, в котором воздух используется для демпфирования. Магнитное поле тоже можно рассматривать как смазку :-)

Ситуация с параллельными пластинами, которую вы описываете, не является типичным условием, встречающимся в практических операциях смазки. В дополнение к облегчению скольжения поверхностей друг относительно друга, смазываемый подшипник также должен выдерживать нормальную нагрузку. Для этого зазор между поверхностями меняется в зависимости от расположения вдоль подшипника. Например, в подшипнике скольжения вал не будет соосен втулке подшипника, а в подшипнике скольжения подвижная поверхность находится под небольшим углом к ​​неподвижной поверхности. Эти особенности геометрии позволяют создавать давление в зазоре между поверхностями в результате сочетания лобового и напорного потоков. Это вызывает направленную вверх нормальную нагрузку на скользящий элемент. Чем выше вязкость смазочного материала, тем больше нарастание давления и тем больше нормальная нагрузка, которую может выдержать подшипник. Вот почему мы используем смазочные материалы с более высокой вязкостью, чем вода.

Это пока единственный полный ответ здесь.

Почему масло скользкое

Чтобы объяснить, почему масло скользкое, необходимо взглянуть на его химические свойства. Во-первых, масло неполярно, что означает, что оно не имеет положительного или отрицательного заряда. Некоторые молекулы, такие как вода, имеют «распределение заряда», что означает, что молекула действует почти как батарея, часть ее имеет положительный заряд, а часть — отрицательный. В результате, поскольку положительное притягивается к отрицательному и наоборот, вода и другие «полярные» молекулы прилипают друг к другу. У нефти нет этой проблемы, поэтому одна молекула масла может скользить мимо другой легче, чем одна молекула воды может скользить мимо другой.

К скользкости нефти добавляется ее склонность образовывать отдельные слои под действием сил, называемых силами Ван-дер-Ваальса, или, точнее, силами лондонской дисперсии (разновидность силы Ван-дер-Ваальса). Эти силы, самые слабые из известных науке, могут помогать старым вещам вместе, что увеличивает трение. Однако масла обладают уникальным свойством создавать силы только внутри слоев, потому что молекулы по существу плоские. Плоский просто означает, что молекулы плоские, как показано на диаграмме ниже, и занимают место только в двух измерениях, а не в трех. Без выступов, к которым можно было бы прикрепиться, силы могут распределяться только внутри плоскости, поэтому нет сил, связывающих один слой с другим. Таким образом, два слоя масла практически не связаны друг с другом. ...

Это похоже на то, что графит является хорошей смазкой, поскольку он также имеет слабо взаимодействующие плоские структуры, которые могут скользить друг относительно друга. Но если бы полярность была одним из ведущих факторов, например, скипидар был бы исключительно хорошей смазкой.
«Углеродный графит является самополирующимся и стабильным по размерам материалом. Валы, отполированные до идеальной чистоты поверхности, отполируют углеграфитовый материал до такого же тонкого качества, поэтому для обеспечения смазки достаточно тонкой гидродинамической пленки.
«[...] Пластмассовые или полимерные материалы подшипников часто выходят из строя при погружении в воду из-за их склонности к набуханию, размягчению или разрушению. Металлические подшипники часто неудовлетворительны, потому что гидродинамическая пленка, создаваемая жидкостями с низкой вязкостью, недостаточно толстая, чтобы преодолеть сильное атомное притяжение между металлическими подшипниками и металлическим валом». – Flowcontrolnetwork.com
@andynitrox - Скипидар в качестве смазки означает, что он погружен в воду (в противном случае вы не можете надежно смазывать летучим растворителем), и подшипник был разработан для этого.
«помочь старым вместе» я не редактировал, потому что не знаю, [sic] ли это.
«Лондонские дисперсионные силы особенно полезны для работы клеевых устройств, потому что они не требуют, чтобы какая-либо поверхность имела какую-либо постоянную полярность». Я думаю, что это в значительной степени связано с тем, что адгезия масла выше, чем у воды, в сочетании с правильной вязкостью для применения (как предполагает ведущий ответ, если ваша смазка может быть вытеснена, она не будет работать).
@andynitrox Скипидар - довольно хорошая смазка в правильных обстоятельствах. В большинстве «человеческих» условий он слишком изменчив, чтобы быть пригодным для этого. Это также хороший растворитель во многих случаях, а растворение ваших рабочих частей — плохая черта для смазки. Однако он выигрывает как от довольно низкой вязкости, так и от неполярности, которые являются ведущими факторами в общих характеристиках смазочного материала. В конечном счете, однако, вопрос о том, что делает смазку хорошей, слишком сложен, чтобы на него можно было ответить одним или двумя свойствами основного материала.

@tbf прав; смазка и трибология в целом сложны. Вот почему предпринимаются такие большие усилия, чтобы понять это и разработать передовые материалы.

Есть несколько явлений, которые вызывают силу трения, и те, которыми вы пренебрегли, приводят к тому, что масла превосходят воду в большинстве промышленных применений.

При сухом скольжении можно выделить адгезию (преобладает для двух сверхгладких стеклянных поверхностей), пропуск и деформацию неровностей (преобладает для двух шероховатых и твердых поверхностей) и расползание (преобладает при скольжении твердой шероховатой поверхности по мягкой). Одни считают химическую связь отдельной причиной, другие рассматривают ее как часть адгезии, а третьи считают ее условием.

Смазочные материалы выбираются для снижения трения и износа, и не существует универсальной суперсмазки, идеально подходящей для любого применения. Нужно учитывать:

  • Все материалы в скользящем контакте;
  • Диапазон приложенных сил;
  • Температура;
  • скорости скольжения;
  • Окружающая среда (поток воздуха/жидкости, химическое окружение, частота скольжения, наличие мусора, ...)

К вопросу, минеральное масло является хорошей смазкой в ​​случае скольжения двух металлов, потому что оно пассивирует поверхности и предотвращает их контакт (поэтому адгезией пренебрегают), если вязкость достаточно низкая, оно также уменьшает взаимодействие между неровностями обеих поверхностей. С другой стороны, вода может химически реагировать с поверхностями и из-за своей низкой вязкости не может предотвратить взаимодействие шероховатостей. Но в целом ни о чем не говорит.

Примечания:
Наиболее распространенной на Земле смазкой является вода - суставы в телах всех позвоночных смазываются водой.
Как отметил Абхинав, графит и все твердые смазки, упомянутые в комментариях ниже его ответа, являются хорошими смазками, и вы не можете определить там вязкость.
В турбомолекулярных насосах используются магнитные подшипники, где «смазкой» является вакуум.

Вода не выдерживает нормальных нагрузок так же, как масло.
Вода неизбежно вытекает из подшипников высокого давления в нижние места прижимной лапки в открытом контуре смазки, оставляя контакты подшипников.
Вода может создавать пузыри вокруг полостей и углов и нарушать ламинарный поток, что может нарушить разделение движущихся частей. Вода вступает в химическую реакцию с поверхностями.
Существуют смазочные материалы, механически разработанные так, чтобы они имели вязкость, близкую к воде, но химически инертны и имеют более широкий температурный диапазон, например тормозные жидкости.
Многие из высокоскоростных вращающихся частей были разработаны с использованием свойства масла нести нагрузку, чтобы активно и динамически балансировать систему до ее надлежащей конфигурации в диапазоне различных нагрузок или оборотов, что более практично с маслом. Автоматическая коробка передач — это всего лишь один случай.

Почему масло лучше смазочного материала, чем вода?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 14v