تربيولوژي چيست؟

گاهي اوقات با واژه هايي غريب و ناآشنا روبرو مي شويم و معمولا براي يافتن معناي آنها ، تلاشي جدي انجام نمي دهيم . "تربيولوژي"(1) يكي از همين واژه هاست كه اگر براي نخستين بار با آن برخورد كنيم قطعا نمي توانيم حدس بزنيم به كدام شاخه از علوم مرتبط است: پزشكي ، جانورشناسي ، جغرافي ، رياضي يا ...؟ در اين نوشتار تلاش خواهد شد تربيولوژي و پديده هاي وابسته به آن به صورت بسيار فشرده معرفي شده و دريچه اي رو به اين دانش گسترده گشوده شود.

حركت ، سنگ بناي تمدن
 

اگر حركت وجود نداشته باشد بسياري از سيستم هاي مهندسي از كار مي افتند . همان طور كه مي دانيد جابه جايي يك جسم با زمان ، تعريف حركت است . در مقياسي بزرگ تر ، اگر بخواهيم بدانيم اجسام چگونه حركت مي كنند و چه نيروهايي سبب حركت اجسام مي شود بايد از ديناميک كمک بگيريم. در اطراف ما فراوانيهاي بي شماري وجود دارند كه به حركت و رفتار ديناميكي جامدات ، مايعات و گازها وابسته اند. به عنوان مثال جريان داشتن خون در رگ ها ، حركت يک دوچرخه ، بالا رفتن آسانسور و... نتيجه فعاليت سيستم هاي بيولوژيكي و مكانيكي هستند. علاوه بر اينها ، برخي پديده هاي غير مكانيكي كه در مبحث الكترونيک يا اپتيک قرار مي گيرند نيز بر پايه حركت ذراتي بسيار كوچک مانند الكترون ها ، يون ها و كوانتوم استوار شده اند. معمولا هر جا حركتي وجود داشته باشد ، مقاومت در برابر حركت يا اصطكاک هم وجود دارد. پديده اصطكاكي به دليل بر هم كنش هاي فيزيكي بين اجسامي كه نسبت به هم حركت مي كنند ، به وجود مي آيد . اگر يكي از اجسام متحرک ، جامد باشد تاثير اصطلكاک به صورت سايش ظاهر مي شود كه معمولا به صورت تخريب سطحي جسم جام خود را نشان مي دهد.
معمولا هر گاه صحبت از اصطكاک مي شود ما فورا دو جسم جامد در تماس با يكديگر را تصور مي كنيم ، اما حركت نسبي بين جامد و مايع (كشتي ها ، لوله آب) يا بين جامد و گاز (هواپيماها ، توربين گازي ) نيز باعث به وجود آمدن اصطكاك کمي شود.

از كجا آغاز شد؟
 

با پيشرفت هاي صنعتي پس از جنگ جهاني دوم ، نياز به استفاده از سرعت هاي بالاتر و نيروها و درجه حرارت هاي بيشتر ، بيش از پيش احساس مي شد. اين مسئله به همراه روش هاي نوين توليد و نيز ساخت مواد مهندسي جديد باعث شد تا اصطكاک ، سايش و روان كاوي از اهميت ويژه اي برخوردار شوند. اهميت موضوع سبب شد تا جمعي از متخصصان و صاحب نظران در سال 1966 در كشور انگستان دور هم جمع شوند. و جنبه هاي مختلف اين پديده ها را مورد بررسي قرار دهند. اين دانشمندان پس از پايان كار خود در گزارشي كه منتشر نمودند ، توصيه كردند كه بايد مطالعات مربوط به اصطكاک ، سايش و روان كاري سامان يابد و جايگاهي مستقل در علوم مهندسي پيدا كند. آنها پس از مشورت با دست اندركاران لغت نامه آكسفورد ، واژه تريبولوژي را براي اين گستره جديد پيشنهاد كردند.

چرا تربيولوژي ؟
 

تربيولوژي از واژه يوناني "تربيو" به معناي لغزش دو جسم روي يكديگر مشتق شده است و تمام فرايندهاي اصطكاكي بين دو جسم كه با هم در تماس هستند و نسبت به يكديگر حركت مي كنند. را در بر مي گيرد . تربيولوژي را به اين صورت هم مي توان تعريف كرد : مطالعه اصطكاک ، سايش و روان كاري . فرايندهاي مرتبط با تربيولوژي شامل تمام پديده هايي هستند كه در آنها يک جسم روي جسم ديگري مي لغزد يا حركت مي كند. با اين تعاريف تمام مثال هاي زير در اين دامنه جاي مي گيرند:
بلبرينگ ، چرخ دنده ها ، ميل لنگ ، سيلندر ، پيستون ، تراش كاري ، شكل دهي فلزات ، پوليش كردن ، سوراخ كاري ، روشن كردن يک كبريت ، حركت مفصل ها در بدن انسان و هزاران پديده ديگر.
اگر چه واژه تربيولوژي نسبتا جديد است اما مطالعه اصطكاک ، سايش و روان كاري پيشينه اي بسيار طولاني دارد و در اين زمينه ها بيشترين كارهاي علمي و عملي روي پديده اصطكاک صورت گرفته است ، زيرا اصطكاک از ديرباز تاثير خود را در زندگي روزمره نشان داده است .

اصطكاک ، همراه قديمي بشر
 

جال است بدانيد حتي انسان هاي اوليه هم به اصطكاک از دو جنبه علاقه مند بوده اند: نخست ، استفاده از حرارت ناشي از اصطكاک براي روشن كردن آتش ؛ و دوم ، غلبه بر اصطكاک در حمل و نقل اجسام . اختراع چرخ يكي از مهم ترين تحولات زندگي بشر بود و او را قادر ساخت تا كار لازم براي غلبه بر اصطكاک را كاهش دهد. به نظر مي رسد كه انسان از 9 هزار سال پيش ارابه را به خدمت گرفته باشد . پژوهش ها و تحقيقات پيشينيان و اجداد ما تا بدان جا ادامه يافت كه به ابداع لاستيک انجاميد. شايد برايتان جالب باشد كه بدانيد ايرانيان نخستين قومي بودند كه از چيزي شبيه لاستيک روي چرخ ارابه هاي خود استفاده مي كردند و شما مي توانيد اين ابتكار را در سنگ نگاره هاي تخت جمشيد مشاهده كنيد.
دو قانون تجربي در مورد اصطكاک وجود دارد: در اولين قانون تصريح مي شود كه اصطكاک مستقل از شكل هندسي يا سطح تماس دو جسم است و دومين قانون بيان مي كند ه نيوري اصطكاک متناسب با نيروي عمودي بين دو جسم است . اين دو قانون نخستين بار توسط لئوناردو داوينچي در حدود سال 1500 ميلادي به صورت فرمول بيان شد ، اما با گذشت زمان به توده فراموشي سپرده شد تا اين كه يک
مهندس فرانسوي به نام "آمونتونس" (Amontons) در سال 1699 اين قوانين را دوباره كشف كرد. نيوتن ، گاليله و كلمب از جمله دانشمنداني هستند كه بررسي هاي زيادي درباره اصطكاک انجام دادند. تئورين نوين اصطكاک بر مبناي تحقيقات "بودن"(Bowden) و "تابور" (Tabor)بنا شده است . اين دو پژوهشگر در سال 1964 پيشنهاد در سال 1964 پيشنهاد كردند كه اصطكاک نيروي لازم براي غلبه بر اتصالات مولكولي بين دو جسم است . آنها از تئوري خود براي توجيه پديده هاي مرتبط با اصطكاک بهره جستند كه از آن جمله مي توان به ثابت بودن ضريب اصطكاک و مستقل بودن اصطكاک از اندازه يا سطح تماس اشاره كرد. امروزه دو گانه بودن اصطكاک به عنوان يك تئوري عمومي مورد پذيرش قرار گرفته است ؛ يعني اصطكاك را داراي رفتار دو گانه مولكولي ـ مكانيكي مي دانند. البته تحقيقات در اين زمينه همچنان ادامه دارد.
سايش ؛ همه دانشمندان بايد متحد شوند!
اگر چه مفهوم سايش به راحتي قابل درک است ، اما تعريف كردن آن مشكل است . يک تعريف سايش از ديد تربيولوژي ، كاهش مداوم ماده از سطح جسمي است كه نسبت به جسم ديگر داراي حركت نسبي است . نخستين مطالعات جامع در مورد سايش توسط داوينچي انجام شد . در دست نوشته اي كه در سال 1967 در اسپانيا يافت شد ، لئوناردو داوينچي بررسي هاي خود را درباره سايش شرح داده است . او دريافته بود كه سايش با اضافه كردن يار،(2) افزايش مي يابد . وي براي به حداقل رساندن سايش ،يک ياتاقان طراحي كرد و جنس آن را از آلياژ 30 درصد مس و 70 درصد قلع انتخاب كرد.
دوران جديد بررسي هاي سايش مربوط به دهه 1930 ميلادي است . در اين سال ها محققان دريافتند كه فلزات ممكن است در طول فرايند سايش ، اكسيد شوند و بدين خاطر بر روي تاثير اتمسفر محيط روي سايش فلزات به عنوان پارامتر مهمي تاكيد كردند. "سيبل" (Sibel) در سال 1938 به اين نكته اشاره كرد كه پژوهش هاي فراواني توسط فيزيكدان ها ، شيمي دان ها ، متالورژيست ها و طراحان و تئورسين هاي الاستيسيته و پلاستيسيته مي بايست انجام شود تا يک پيشرفت واقعي در زمينه مطالعه سايش حاصل شود.
تحقيقات دانشمندان ادامه يافت تا اين كه "آركارد" (Archard) قوانين تجربي سايش را به اين صورت بيان كرد: حجم سايش با بار و مسافت لغزش نسبت مستقيم و با سختي فلز نرم تر از ميان دو فلزي كه در تماسند ، نسبت معكوس دارد . پژوهش ها در مورد سايش هنوز هم ادامه دارد و علاوه بر فلزات ، سراميك ها ، پليمرها و كامپوزيت ها را نيز در بر مي گيرد.

روان كاري با سابقه اي 5 هزار ساله
 

روان كاري فرايندي است كه در آن با استفاده از يك روان ساز جامد، مايع يا گاز ، اصطكاک و يا سايش بين سطوحي كه نسبت به هم به طور نسبي در حال حركتند، كاهش مي يابد . از آنجاكه اصطكاك و سايش الزاما با يكديگر به طور هم زمان وجود ندارند ، از واژه (و/يا) استفاده شده است . روان ساز ماده اي است كه براي كاهش اصطكاك يا سايش يا هر دو بين سطوح متحرك در حال تماس به كار مي رود. انتخاب روان ساز مناسب براي هر ماده با در نظر گرفتن نوع فرايند ، دماي انجام فرايند و ساير ويژگي ها انجام مي گيرد . پژوهش هاي باستان شناسي نشان مي دهد كه استفاده از روان ساز ، پيشينه اي 5 هزار ساله در مصر ، آشور و ايران دارد. امروزه دگرگوني هاي بسياري در روان سازها به وجود آمده است و روان كاري جايگاه برجسته اي در ميان علوم به خود اختصاص داده است .

تربيولوژي چقدر اهميت دارد؟
 

برگرديم به بحث اصلي خودمان يعني تربيولوژي . با به كارگيري درست تربيولوژي ، شاهد كاهش قابل توجهي در هزينه هاي نگهداري و تعويض قطعات خواهيم بود. همچنين با كاستن از اصطكاک ، عمر مفيد ابزار و دستگاه ها افزايش خواهد يافت . به عنوان مثال ، اعلام شده است كه با استفاده از دانش تربيولوژي ، سالانه نزديک به 16 ميليارد دلار صرفه جويي در انرژي فقط در ايالات متحده آمريكا قابل دسترسي خواهد بود. بد نيست كه بدانيد كه پس از معرفي تربيولوژي در سال 1966 در فاصله 11 ، سال حدود 55 هزار مقاله در نشريات مختلف پيرامون تربيولوژي به چاپ رسيد. بر اساس آمارهاي موجود ، در سال هاي اخير به طور ميانگين هر سال 8 هزار مقاله در اين زمينه منتشر شده است . در كشور ما چندين سال است كه به اين مقوله با نگاه علمي نگريسته شده و انجمن علوم و تكنولوژي سطح ايران كه در ارديبهشت 1372 تاسيس شده ، در اين زمينه فعاليت دارد . يازدهمين همايش ملي مهندسي سطح مهرماه 1389 در تهران برگزار شد كه يكي از زمينه هاي موضوعي آن ، به تربيولوژي و سايش اختصاص داشت .

پي نوشت ها :
 

1-Tribology
2- Load
*کامران خدا پرست کارشناس ارشد مهندس مواد است . مقاله چرا تايتانيک غرق شد ؟از او در شماره مهر ماه منتشر شده بود.
پست الکترونيک:kkhodparasti@yahoo.com
 

منبع:دانشمند شماره 566
/ع