¿Por qué el aceite es mejor lubricante que el agua?

¿Por qué el aceite mineral es un mejor lubricante que el agua, aunque el agua tiene una viscosidad más baja?

bosquejo del problema

Cuando dos superficies se deslizan una sobre la otra con un espacio lleno de fluido, las diferentes capas del fluido son arrastradas a diferentes velocidades. La capa superior que toca la superficie metálica superior tendrá la misma velocidad que la superficie misma, mientras que la capa más inferior permanece estacionaria. La velocidad en las capas intermedias se distribuye linealmente y existen fuerzas de fricción entre esas capas que ralentizan el movimiento. Sin embargo, esas fuerzas de fricción deben reducirse si se elige un fluido con una viscosidad más baja.

¿Cómo es que esto no es así?

¿Tiene que ver con la polaridad del agua, de modo que se adhiere a las superficies de forma diferente al aceite?

Creo que la lubricación es un negocio extremadamente complicado. Sin embargo, de hecho, no desea que la viscosidad sea demasiado baja: un propósito crítico de los lubricantes es evitar el contacto de metal con metal, que generalmente es rápidamente fatal para la maquinaria, y para lograr esto, debe ser bastante viscoso.
El agua no siempre es un peor lubricante. ¿Alguna vez has visto esos letreros de "piso mojado"? Los pisos pueden volverse extremadamente resbaladizos al introducir una pequeña cantidad de agua, mucho más que con aceite. Las capas de hielo o los barcos son otro gran ejemplo: tome un barco en el agua, póngalo en aceite y experimentará mucha más fricción que en el agua.
El agua es buena para la lubricación, el problema es que se vaporiza como loca. ¿De qué sirve un lubricante que se acaba en 5 minutos?
@Luaan, claramente el agua no siempre es un peor lubricante que otras sustancias, pero me parece que en condiciones "domésticas" (como frotarse las manos o deslizar un zapato sobre el pavimento), el aceite funciona mejor. El caso de un barco que nada en petróleo frente a agua solo depende de la viscosidad del fluido, es solo un problema de arrastre laminar normal, y no estoy seguro de si es aplicable a la pregunta original.
@Davor, la tasa de evaporación es otra buena propiedad a considerar. Pero si el experimento se realiza en un período de tiempo corto, en el que se puede despreciar la evaporación, probablemente no sea la causa principal de la diferencia. Puede ser que la viscosidad y la tasa de evaporación estén conectadas de alguna manera, ¿hay material en eso?
Nuestra piel se desarrolló con el único objetivo de "no resbalar en superficies acuosas". Por lo tanto, está buscando un material específicamente "diseñado" para evitar el deslizamiento, al igual que las suelas de goma de sus zapatos. Tome un zapato de la vieja escuela sin goma y verá que es extremadamente resbaladizo en superficies mojadas: los europeos medievales iban descalzos la mayor parte del tiempo, especialmente en invierno. El aceite no se encuentra comúnmente en la naturaleza, por lo que no había mucha presión para hacer que la piel fuera resistente al deslizamiento sobre una superficie aceitosa; de hecho, la fuente de aceite más común es nuestra propia piel , "diseñada" para la lubricación (entre otras cosas) .
Lo que hace que un "mejor lubricante" probablemente no sea uniforme para todas las situaciones. Por ejemplo. La grasa es un excelente lubricante con ballestas, precisamente porque es muy viscosa.
¿Podría ser el tamaño de la molécula, manteniendo las partes separadas?
Vale la pena señalar que el agua tiene una capacidad de lubricación cero y una capacidad de separación cero a temperaturas superiores a 100 ° C: el aceite y la grasa tienen un rango de trabajo que se extiende a temperaturas mucho más altas.
No es necesariamente el caso de que tenga cero capacidad de lubricación por encima de 100C. Por ejemplo , los cojinetes de aluminio utilizados en los motores a reacción se lubrican con aire.
Entonces, para resumir, un buen lubricante debe (al menos en la mayoría de las circunstancias) tener una baja viscosidad, ser capaz de mantener separadas las piezas de la máquina (lo que podría estar relacionado con una mayor viscosidad, adherencia, tensión superficial), ser no volátil, no corrosivo , tienen una baja interacción entre sus moléculas (no polares) y podrían necesitar servir para otras funciones (refrigerante, protección contra la oxidación) en el rango de temperatura previsto.

Respuestas (6)

Su derivación se compone de declaraciones correctas y, de hecho, si se sabe que algo actúa como lubricante, queremos que la viscosidad sea lo más baja posible porque la fricción se reducirá de esta manera. Por ejemplo, la miel es un mal lubricante porque es demasiado viscosa.

Sin embargo, su derivación no es toda la historia. La segunda condición es que las dos superficies deben permanecer separadas. Si utiliza un lubricante con una viscosidad demasiado baja, las superficies entrarán en contacto y reaparecerá la fricción original.

Entonces, el lubricante óptimo es el líquido menos viscoso que es lo suficientemente viscoso para mantener las superficies separadas. Cuál de ellos es el óptimo depende de las superficies detalladas y otras condiciones. Por ejemplo, existen situaciones en las que el agua es un mejor lubricante que el aceite, por ejemplo, cuando el hielo se desliza sobre el hielo. Parte del hielo se derrite y el agua es la razón por la que el hielo se desliza tan bien.

¿Qué pasa con la tensión superficial y la humectación? ¿No deberían ser un parámetro importante también?
Sí, también son importantes. La humectación generalmente disminuye con la viscosidad, pero no son idénticas.
La grasa es muy viscosa pero es un buen lubricante. Creo que la propiedad que hace que un líquido sea un buen lubricante no tiene nada que ver con su viscosidad. Afirmar que la miel es un mal lubricante porque es demasiado viscoso es tan incorrecto como afirmar que el aceite es un buen lubricante porque no es viscoso.
Seguramente la grasa no es un buen lubricante para motores, etc. Es pegajosa y uno puede sentirla. El OP tiene toda la razón en que, al final, la fuerza de fricción es proporcional a la viscosidad.
¿Qué propiedad física de un fluido (o un polvo, para el caso) controla qué tan "fácil" es que las placas se toquen? ¿Es esa también la viscosidad? O tal vez también la tensión superficial, como mencionó @user_na, ya que se opondría a que una gota fuera aplastada, cuando se ejerce fuerza sobre la placa superior para reducir el espacio entre las placas. ¿Se puede usar mercurio, por ejemplo, como lubricante al menos en algunos casos? ¿Hay también algún trabajo sobre la relación entre esos valores?
@Neil Grease suele ser un lubricante terrible. Es bueno en los casos en los que necesita algo que permanezca donde está (por ejemplo, si tiene maquinaria que no tiene un mecanismo para mantener las superficies de apoyo cubiertas de aceite), pero generalmente usaría aceite si pudiera. Sin embargo, tenga en cuenta que gran parte de la razón para usar aceite en (digamos) motores de automóviles es que también es un refrigerante y, por lo tanto, necesita un flujo significativo a través de los cojinetes. La lunricación es un tema realmente complicado.
@tfb Por "mala" que sea la grasa, todavía se usa como lubricante, lo que, si la viscosidad de un líquido determina su capacidad para ser un buen lubricante, debería sugerir que debería ser un lubricante peor que el agua. Además, me parece cuestionable que la grasa sea un lubricante tan terrible.
También sería bueno mencionar que es mucho más probable que el agua dañe las cosas que el aceite mineral, y el metal oxidado tenderá a tener más fricción.
@Neil La viscosidad no es el único determinante y la dependencia de la viscosidad tampoco es monótona: el agua no es lo suficientemente viscosa, la grasa es (muy a menudo) demasiado viscosa. Esta es la razón por la que, por ejemplo, los aceites de motor se especifican por viscosidad y, a menudo, tienen aditivos para que se comporten como un aceite de mayor viscosidad cuando están calientes (10W-30 significa "como 10W cuando está frío, pero como 30 cuando está caliente", donde creo que 'caliente' significa 100C). PD: intenta lubricar tu coche con grasa (no si no quieres comprar uno nuevo) si crees que es un lubricante razonable...
@Niel Tenga en cuenta que la grasa se usa en lugares como juntas de puertas, donde la fricción resultante no es un problema. La articulación se mueve solo un par de milímetros cuando abre la puerta, y en realidad ni siquiera desea un movimiento sin fricción, ya que algo de fricción evita que la puerta se cierre de golpe.
"Líquido menos viscoso que es lo suficientemente viscoso para mantener las superficies separadas". Me gusta. Explica por qué el agua es un lubricante tan bueno para los barcos. flotan :)
@Neil: La viscosidad es la característica más importante, pero la grasa es pseudoplástica, su viscosidad se reduce bajo cizallamiento (adelgazamiento por cizallamiento). La viscosidad cae hasta un punto cercano a la viscosidad de su lubricante base, como un aceite. Por lo tanto, permanece en su lugar normalmente y lubrica entre las superficies debido a la caída de la viscosidad.
@tfb Ese fue mi punto precisamente. La viscosidad no es el único factor aquí. Me alegro de que estemos de acuerdo.
@LubošMotl Hola, hay una cosa que no me queda clara " lo suficientemente viscosa para mantener las superficies separadas ", ¿cómo influye la viscosidad en mantener las cosas separadas o unirlas? No proviene de la definición y no veo ninguna conexión obvia, especialmente cuando se trata de superficies. Entiendo que un objeto caería más lentamente en la miel que en el agua, pero no veo cómo se transforma en "tocarse" entre dos superficies. ¿Te importaría explicar este detalle? Quizás en la respuesta, sería mucho más claro en mi opinión. ¿O es obvio? Nadie mencionó esto, así que tal vez soy un poco estúpido.
@LubošMotl Solo quizás para elaborar un poco. Estaba pensando en dos objetos en un ambiente líquido, digamos dos hojas o incluso manos, frotándose entre sí. No veo cómo el proceso diferiría en el agua y en la miel en términos de cercanía entre las superficies. Es más difícil moverlos en un entorno más viscoso, pero ¿también es más difícil mantenerlos cerca? Espero haber sido claro (y no es una pregunta demasiado estúpida).

Un buen lubricante tiende a minimizar efectivamente el contacto directo entre los componentes de cualquier dispositivo que lo necesite.

Teniendo esto en cuenta, la viscosidad no es el único factor involucrado. Muele la mina de un lápiz de grafito y obtendrás un lubricante muy fino. Puede ser que en el caso de agua colocada entre dos superficies, una gota de agua que se suponía que debía actuar como una capa intermedia, se desplace fácilmente, dando como resultado un contacto intempestivo entre las partes lubricadas de otro modo, lo que resulta en desgaste, mientras que los componentes del aceite tienden a permanecer en su lugar como medio intermedio y actúan como lubricante. El grafito, obviamente, al ser un polvo fino, no se comporta como el agua.

Una excelente observación. La viscosidad no es el factor decisivo aquí.
El grafito molido no es un líquido (por eso la viscosidad está mal definida) y creo que ni siquiera debería llamarse lubricante. Es un rodamiento de rodillos microscópico. Realmente no tiene nada que ver con la pregunta.
El grafito no es el único lubricante sólido. Hay lubricantes sólidos y semisólidos hechos de silicona, cerámica, bisulfuro de molibdeno, nitruro de boro y politetrafluoretileno. El factor común en estos lubricantes es su estructura molecular y la unión débil entre las moléculas.
el talco es otro lubricante sólido, el grafito no son rodillos, son láminas,
En el caso de lubricantes sólidos como películas delgadas, la resistencia al corte de la capa sólida suele ser el factor determinante y puede considerarse equivalente a la viscosidad del líquido.
La cera es un buen lubricante para las correderas de los cajones de madera.
@LubošMotl Graphite no es un rodamiento de rodillos microscópico, es un lubricante. No hay nanobolas de grafito rodando entre las superficies. Al comienzo del deslizamiento, el grafito cubre ambas contrapartes llenando todos los vacíos y el contacto deslizante entre, por ejemplo, cambios de acero-acero/grafito a grafito-grafito.
@Crowley Estaba leyendo sobre pistas de aire lineales y, por lo tanto, está el colchón de aire que apoya el movimiento libre del ciclista. En cualquier caso de que este comentario sea demasiado tarde, ¿es correcto categorizar el aire como un lubricante?
@Abhinav Si está evitando que las superficies se toquen, ¿por qué no? Estoy usando un dispositivo donde se usa aire y amortiguación. El campo magnético también se puede considerar como lubricación :-)

La situación de placas paralelas que usted describe no es la condición típica que se encuentra en las operaciones prácticas de lubricación. Además de facilitar el deslizamiento de las superficies una sobre otra, el cojinete lubricado también debe soportar una carga normal. Para hacer esto, el espacio entre las superficies varía según la ubicación a lo largo del rodamiento. Por ejemplo, en un cojinete liso, el eje no será concéntrico con el manguito del cojinete y, en un cojinete deslizante, la superficie móvil forma un ángulo pequeño con la superficie estacionaria. Estas características de la geometría permiten que se acumule presión en el espacio entre las superficies como resultado de una combinación de flujo de arrastre y flujo de presión. Esto provoca una carga normal hacia arriba sobre el elemento deslizante. Cuanto mayor sea la viscosidad del lubricante, cuanto mayor sea la acumulación de presión y mayor la carga normal que puede soportar el rodamiento. Por eso utilizamos lubricantes con mayor viscosidad que el agua.

Esta es la única respuesta completa aquí hasta el momento.

Por qué el aceite es resbaladizo

Explicar por qué el aceite es resbaladizo requiere una mirada a sus propiedades químicas. Primero, el aceite no es polar, lo que significa que no tiene carga positiva o negativa. Algunas moléculas, como el agua, tienen una "distribución de carga", lo que significa que la molécula actúa casi como una batería, parte de ella tiene carga positiva y parte tiene carga negativa. El resultado, debido a que lo positivo es atraído por lo negativo y viceversa, es que el agua y otras moléculas “polares” se adhieren entre sí. El aceite no tiene este problema, por lo que una molécula de aceite puede deslizarse entre sí más fácilmente que una molécula de agua puede deslizarse sobre otra.

A lo resbaladizo del petróleo se suma su tendencia a formar distintas capas a través de fuerzas llamadas fuerzas de Van der Waals, o más específicamente fuerzas de dispersión de Londres (un tipo de fuerza de Van der Waals). Estas fuerzas, que son las más débiles conocidas en la ciencia, pueden ayudar a unir cosas viejas, lo que aumentaría la fricción. Sin embargo, los aceites tienen la propiedad única de formar fuerzas solo dentro de las capas porque las moléculas son esencialmente planas. Planar solo significa que las moléculas son planas, como lo enfatiza el diagrama a continuación, y solo ocupan espacio en dos dimensiones en lugar de tres. Sin proyecciones a las que adherirse, las fuerzas solo se pueden distribuir dentro del plano y, por lo tanto, no hay fuerzas para unir una capa con la siguiente. Por lo tanto, dos capas de aceite no se unen entre sí en gran medida. ...

Eso sería como si el grafito fuera un buen lubricante, ya que también tiene estructuras planas que interactúan débilmente y que pueden deslizarse entre sí. Pero si la polaridad fuera uno de los factores principales, la trementina, por ejemplo, sería un lubricante excepcionalmente bueno.
"El grafito de carbono es un material autopulimentable y dimensionalmente estable. Los ejes pulidos con un acabado superficial fino pulirán el material de grafito de carbono con el mismo acabado fino, por lo que una película hidrodinámica delgada es suficiente para proporcionar lubricación.
"[...] Los materiales de soporte de plástico o polímero a menudo fallan en aplicaciones sumergidas debido a su tendencia a hincharse, ablandarse o deteriorarse. Los soportes metálicos a menudo no son satisfactorios porque la película hidrodinámica proporcionada por los líquidos de baja viscosidad no es lo suficientemente gruesa para superar la fuerte atracción atómica entre los cojinetes de metal y el eje de metal". – flowcontrolnetwork.com
@andynitrox: la trementina como lubricante significaría que está sumergida (de lo contrario, no se puede lucubrar de manera confiable con un solvente volátil) y que el rodamiento ha sido diseñado para ello.
"ayudar a cosas viejas juntas" No edité porque no sé si es un [sic].
"Las fuerzas de dispersión de Londres son particularmente útiles para la función de los dispositivos adhesivos, porque no requieren que ninguna superficie tenga una polaridad permanente". Creo que tiene que ver en gran medida con que la adherencia del aceite sea mayor que la del agua, además de tener la viscosidad correcta para la aplicación (como sugiere la respuesta principal, si su lubricante puede desplazarse, no funcionará).
@andynitrox Trementine es un lubricante bastante bueno, en las circunstancias adecuadas. En la mayoría de las condiciones de "escala humana", es demasiado volátil para ser bueno para esto. También es un buen solvente en muchas circunstancias, y disolver las piezas de trabajo es un mal rasgo para un lubricante. Sin embargo, se beneficia tanto de una viscosidad bastante baja como de la no polaridad, los cuales son factores principales en el rendimiento general del lubricante. Sin embargo, en última instancia, la pregunta de qué es un buen lubricante es un problema demasiado complicado para ser respondido por una o dos propiedades del material base.

@tbf tiene razón; la lubricación, y la tribología en general, es complicada. Por eso hay ese gran esfuerzo por entenderlo y diseñar materiales avanzados.

Hay varios fenómenos que causan la existencia de la fuerza de fricción y los que usted ha ignorado hacen que los aceites sean superiores al agua en la mayoría de las aplicaciones industriales.

En el deslizamiento en seco podemos identificar la adhesión (dominante para dos superficies vítreas súper lisas), la aspereza saltando y la deformación (dominante para dos superficies rugosas y duras) y el arado (dominante para el deslizamiento de una superficie rugosa dura contra una blanda). Algunos agregan el enlace químico como causa aparte, otros lo consideran como parte de la adhesión y otros lo consideran como una condición.

Los lubricantes se eligen para reducir la fricción y el desgaste y no existe un superlubricante universal ideal para cualquier aplicación. Uno debe considerar:

  • Todos los materiales en contacto deslizante;
  • Rango de las fuerzas aplicadas;
  • La temperatura;
  • velocidades de deslizamiento;
  • Entorno (flujo de aire/líquido, entorno químico, frecuencia de deslizamiento, presencia de desechos, ...)

A la pregunta, el aceite mineral es un buen lubricante en caso de deslizamiento de dos metales porque pasiva las superficies y evita su contacto (por lo tanto se desprecia la adherencia), si la viscosidad es lo suficientemente baja también disminuye la interacción entre las asperezas de ambas superficies. Por otro lado, el agua puede reaccionar químicamente con las superficies y, debido a su baja viscosidad, no puede evitar la interacción de asperezas. Pero no dice nada en general.

Notas:
El lubricante más común en la Tierra es el agua: las articulaciones de los cuerpos de todos los vertebrados están lubricadas con agua.
Como señaló Abhinav, el grafito y todos los lubricantes sólidos mencionados en los comentarios debajo de su respuesta son buenos lubricantes y no se puede definir la viscosidad allí.
Las bombas turbomoleculares utilizan cojinetes magnéticos donde el "lubricante" es el vacío.

El agua no puede soportar cargas normales tan bien como el aceite.
El agua está obligada a escapar de los cojinetes de alta presión a los lugares inferiores del prensador en un circuito de lubricación abierto, dejando contactos con los osos.
El agua puede crear burbujas alrededor de las cavidades y las esquinas y romper el flujo laminar, lo que comprometerá la separación de las partes móviles. El agua reaccionará químicamente con las superficies.
Hay lubricantes diseñados mecánicamente para tener una viscosidad cercana al agua, pero químicamente inertes y con una mayor tolerancia a la temperatura, como los líquidos de frenos.
Muchas de las piezas giratorias de alta velocidad se han diseñado aprovechando la propiedad de soporte de carga del aceite para equilibrar activa y dinámicamente el sistema en su configuración adecuada bajo un rango de diferentes cargas o RPM, lo que es más práctico con aceite. La transmisión automática es sólo un caso.

¿Por qué el aceite es mejor lubricante que el agua?
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