Attrito

8 luglio 2018

MB

La scienza che studia l'attrito si chiama Tribologia (da "tribolare") e fu iniziata da Galileo Galilei.

La forza di attrito è sempre contraria al moto (si oppone al moto) e non è conservativa. Si distinguono l’attrito colombiano (radente, volvente, statico, dinamico) attrito strutturale, attrito viscoso e viscoelastico.

In elettroacustica interessano almeno quattro tipi di attrito:

 

Attrito Viscoso

 

 

Proporzionale alla velocità, alla forma ed alla densità del mezzo.

Causa lo “smorzamento” ed è regolato da una legge tipo F=lv. In generale il coefficiente di attrito dipende dalla frequenza e può essere complesso. 

Attrito viscoelastico

è dovuto all’impiego di materiali che hanno qualità smorzanti ed elastiche assieme (gomma). La forza (stress) risulta in quadratura allo spostamento (strain) e viene rappresentata da due componenti. Tipico delle sospensioni in gomma.

Attrito Colombiano

Proporzionale alla forza normale tra due superci a contatto.

Causato dallo scorrimento reciproco di superfici a contatto.

Presenta due aspetti: attrito statico e attrito dinamico.

La presenza di un attrito statico determina una energia di soglia al di sotto della quale (per esempio) non si osservano break-up della membrana.

Attrito Strutturale

Si osserva in presenza di deformazioni. (causato dall’attrito di scorrimento tra le fibre interne del materiale all’atto della deformazione).

Si presenta quando la forza elastica è del tipo F = (a+ib) x  ovvero con coefficiente elastico complesso. E’ legato ai fenomeni di isteresi ed è quindi presente anche nelle sospensioni degli altoparlanti. Inserendo l’attrito strutturale nel modello meccanico dell’altoparlante si riesce a simulare la riduzione di QMS all’aumentare della massa del diaframma..

 

I diaframmi in materiale intrecciato usati per realizzare i diaframmi degli altoparlanti (tessuti in fibra di carbonio o kevral) soffrono sia di attrito colombiano che strutturale (a causa dello scorrimento reciproco delle fibre).

 

Le componenti colombiane presenti negli spider (sospensioni interne) degli altoparlanti causa una specie di “distorsione di incrocio” nel senso che per piccoli segnali la distorsione è “alta”, aumentando l’ampiezza si entra in una regione più lineare a la distorsione si riduce, aumentando ulteriormente l’ampiezza della oscillazione si esce dalla zona di linearità e la distorsione aumenta (sino al clipping della sospensione).

Le componenti di attrito strutturale causano l’isteresi che, quando c’è, è presente indipendentemente dall’ampiezza della vibrazione. L’area definita dal ciclo di isteresi rappresenta il lavoro perso per contrastare l’attrito. E’ evidente una relazione tra il fattore di merito meccanico e l’attrito. Se QMS è alto le componenti colombiane e strutturali sono basse ma se il QMS è basso potrebbero essere presenti solo componenti proporzionali alla velocità.

 

Un corpo immerso in un fluido esperisce una forza di attrito viscoso proporzionale alla velocità solo se la sua velocità è bassa (meno di 2 metri al secondo). Superata questa velocità all’espressione della forza si aggiungono termini proporzionali al quadrato, al cubo, ecc. della velocità e la relazione tra forza e velocità non è più proporzionale (distorsione)

 

Attrito Viscoelastico

 

Il concetto di dissipatore viscoso viene impiegato per la costruzione dei modelli per spiegare il comportamento dei materiali viscoelastici. Nel modello di Maxwell il materiale è rappresentato da un dissipatore viscoso collegato in serie con una molla, mentre nel modello di Kelvin-Voigt il materiale è rappresentato da un dissipatore viscoso collegato in parallelo con una molla.

Il comportamento dei materiali viscoelastici è intermedio tra i materiali puramente viscosi e i materiali elastici, per cui il dissipatore viscoso è utilizzato per tenere conto delle forze viscose, mentre la molla è utilizzata per tenere conto delle forze elastiche.

 

Analogia meccanica del

 

modello di Maxwell (in alto)

 

e

 

del modello di Kelvin-Voigt (in basso).

 

Attrito Colombiano:

 

nel caso di un corpo che scivola su una superficie l’attrito risulta proporzionale alla forza normale attraverso una costante che dipende dalle caratteristiche delle superfici a contatto. Si distingue un coefficiente di attrito statico ed un coefficiente di attrito dinamico. Il primo è sempre maggiore del secondo e rappresenta lo sforzo maggiore richiesto per iniziare il moto (energia di soglia).

La forza dovuta all’attrito coulombiano si esprime come: Fd =  n N   dove n   è il coefficiente di attrito dinamico e N è la forza normale. Questa forza genera un effetto smorzante molto forte indipendente dalla velocità.

 

decadimento di una oscillazione libera per effetto di attrito Coulombino. il coefficiente di attrito equivalente vale

ed è inversamente proporzionale alla pulsazione ed alla ampiezza della oscillazione. si tratta quindi di un coefficiente  non lineare.

 

fd = 0.5 * k (x0 - x -0)

 

x0 = Ampiezza dopo mezzo  periodo

 

La sospensione interna dell’altoparlante (spider) e realizzata con tessuto intrecciato ed in esso può essere presente una forma di attrito Colombiano (oltre che viscoelastico) la cui componente statica è responsabile della maggiore distorsione di quarto e quinto ordine che si osserva negli altoparlanti ai bassi livelli di pressione (una sorta di distorsione di attraversamento dello zero).