Erosão, natureza e reflexões mais amplas

Grand Canyon, o mais espetacular “gasto por erosão” do planeta

É a forma de desgaste provocada pela ação de partículas duras incidentes sobre um sólido, carreadas ou não por um fluido.

A definição acima se aplica à ação dos  minérios nos chutes, nos dutos, no transporte de minérios ou de grãos de cereais e também se aplica adequadamente às formas mais espetaculares de erosão que conhecemos, a erosão na natureza.

A lua, que incorpora tanta simbologia, traz marcas indeléveis da incidência de “partículas”, no caso, os meteoros. Eles podem vir solitários como num “ensaio” mono-evento ou em nuvens. As condições peculiares da lua, em especial o vácuo, fazem com que as marcas de desgaste permaneçam para serem observadas. Em algumas delas é possível ver a interação de dois eventos, as crateras nas quais houve incidência de outro meteoro, evento raro e muito ilustrativo para os estudiosos do fenômeno na engenharia.

No grand canyon temos um dos mais espetaculares “gastos por erosão” do planeta. Neste, os abrasivos são carregados pela água do rio Colorado e as rochas mais duras da cabeceira do rio desgastam as mais moles rio abaixo, produzindo uma superfície de desgaste que é um fantástico cartão-postal.

Esta forma de erosão é a responsável pelos belos canyons do rio São Francisco entre Paulo Afonso e a barragem do Xingó, entre Piranhas (Alagoas) e Canindé (Sergipe). O assoreamento natural decorrente deste fenômeno muda o curso das águas e, como sabemos, é fortemente assistido em alguns lugares pela irresponsável destruição das matas ciliares e, como no parque Nacional da Chapada Diamantina,  pela mineração ilegal e irresponsável de diamantes.

Os exemplos de erosão causados pela propulsão de partículas pelo vento também são abundantes. No Paraná temos o parque Nacional de Vila Velha, onde a paisagem foi esculpida pelo vento do planalto resultando na fragmentação das rochas na forma de areia.

O conhecimento do mecanismo de desgaste visa nestes casos menos a predição de vida do que a reflexão sobre nossas atitudes e destino, tão bem expressa por Bob Dylan no trecho da sempre atual “Blowing in the Wind…”

“Yes, and how many years can a mountain exist,

Before it’s washed to the seas (sea)

Yes, and how many years can some people exist,

Before they’re allowed to be free?

Yes, and how many times can a man turn his head,

Pretending that he just doesn’t see?

The answer, my friend, is blowin’ in the wind

The answer is blowin’ in the wind”

Amilton Sinatora

Engenharia de superfície pré-colombiana

"Exposição 'Ouros de Eldorado' traz parte do acervo do Museo Del Oro de Bogotá, Colômbia."

Uma das poucas vantagens de se morar na capital de São Paulo é que a maioria dos eventos culturais acaba passando por aqui. É este o caso da exposição “Ouros de Eldorado”, que nos traz parte do acervo do Museo Del Oro de Bogotá, Colômbia.  A exposição está na Pinacoteca do Estado – uma bela edificação incompleta da primeira década do século XX transformada em museu ao lado do Parque da Luz, no centro velho de São Paulo.

O visitante pode conhecer trabalhos em metal de diferentes culturas pré-colombianas que retratam, em adornos de ouro, cobre, bronze e suas ligas, aspectos da fauna, flora e intrigantes concepções abstratas. A visita às peças tem apoio de três vídeos que permitem que o visitante situe histórica, geográfica e antropologicamente as peças da exposição.

Muitas peças foram obtidas por martelamento, ou seja, deformação plástica a frio, seguida de aquecimento para promover o recozimento dos metais e permitir assim que o objeto continue a ser trabalhado sem fraturar. Outras foram obtidas por fundição empregando a técnica de cera perdida, o que permitiu aos nossos precursores obter peças muito delicadas com intrincados detalhes.

O ponto alto da exposição, do ponto de vista da engenharia de superfícies, são as peças feitas em ligas ouro-cobre e tratadas superficialmente.  Nossos ancestrais em engenharia de superfícies moldavam as peças e as oxidavam. Esse processo oxidava seletivamente o cobre aumentando assim a concentração de ouro logo abaixo do filme de óxido.  Em seguida, promoviam a decapagem ácida do filme de óxidos empregando sucos de plantas nativas moídas em solução com água. Com isto conseguiam superfícies muito finas de ouro cuja intensidade de amarelo podia ser controlada mediante as repetições do processo de oxidação e decapagem. Essa tecnologia permitia adequar relevo e cor. A técnica permitia, sem dúvida, que com muito menos ouro (por exemplo 5%) se obtivessem superfícies tão douradas quanto as obtidas em ouro maciço.

Amilton Sinatora

Publicar ou perecer (3). Por que NÃO publicar? – Leonardo da Vinci

Leonardo DaVinci

Meu colega o Prof. Deniol K. Tanaka e eu tivemos o privilégio de discutir por mais de uma vez o papel do artista Leonardo da Vinci na tribologia, em especiar suas contribuições no estudo do fenômeno de atrito e seus estudos sobre desgaste.

Nestas discussões chegamos sempre ao ponto de que Leonardo fazia o possível para não ser lido! Escrevia de modo que a leitura de seus textos pudesse ser feita apenas lendo-os em espelhos, pois quase sempre escrevia “ao contrário”.  O genial italiano temia ter suas idéias roubadas.

Afinal, de um lado, ele trabalhou como engenheiro militar para para o sanguinário Ludovico Sforza, Duque de Milão e, na mesma função, para o devasso e sanguinário César Borgia, Duque de Bologna. Por  outro lado, Leonardo tinha pendências com a igreja católica e devia temer a fogueira. Publicar talvez não fosse mesmo a melhor política!

Leonardo também não divulgava nem fazia cópia de seus escritos. No fim da vida, entretanto, passou um bom tempo organizando e classificando as milhares de anotações que fez ao longo da vida. Suas anotações, os chamados códigos (codici) que nos chegaram, trazem muitíssimas informações, e são apenas uma fração que chegou até nós, sendo que todo o resto se perdeu. Leonardo não teve o cuidado de enviá-los (nem de deixar em testamento que fossem) a uma biblioteca, igreja ou a algum de seus muitos patronos.

Com isto, seu trabalho se perdeu e suas contribuições ao estudo do atrito apenas chegaram até nós quando seus escritos foram redescobertos. Por isto as “leis” do atrito (e aqui destaco que não as defendo enquanto leis”) são atribuídas na literatura tradicional a Amontons e a Coulomb.

Se ele houvesse publicado, teríamos a seguinte cronologia de contribuições fundamentais sobre o fenômeno de atrito:

Da Vinci – 1495

L1) A força de atrito é proporcional à força normal.

L2) O coeficiente de atrito independe da área aparente de contato.

L3) O coeficiente de atrito depende dos materiais. (Esta descoberta de Leonardo é raramente relatada nos textos, mesmo os recentes.)

Amontons – 1699

L1,2, 3) Confirmaria as duas descobertas de Da Vinci de forma independente num belo exercício do método científico.

Coulomb – 1785‏

L4) O coeficiente de atrito independe da velocidade (nem sempre como relata o próprio Coulomb, mas esta ressalva é sempre esquecida na literatura contemporânea)‏. Coulomb muitas vezes recebe o crédito pela L3, o que mostra que mesmo publicando (Amontons), às vezes o trabalho de pesquisa não é adequadamente reconhecido!

Greenwood Williamson –  1968‏

L5) A área REAL de contato aumenta com o aumento da força aplicada. Esta descoberta finalmente justifica as “leis” 1 e 2.

Mas não foi assim que aconteceu e, então, as “leis do atrito” são conhecidas como leis de Amontons ou leis de Coulomb, sendo que os físicos (mais estudiosos) preferem “leis de Amontons” enquanto que os engenheiros (mais comodistas) preferem a expressão “leis de Coulomb”.

Para aqueles menos geniais e menos perseguidos que Leonardo, talvez não reste mesmo outro caminho se não ….publicar, a menos que seus patronos estejam comprando seus segredos de pesquisa!

Amilton Sinatora

Referência

SINATORA, Amilton; TANAKA, Deniol Katsuki. As leis do atrito: da Vinci, Amontons ou Coulomb?. Revista Brasileira de Ciências Mecânicas, Rio de Janeiro, v. 12, n. 1, p. 31-34, out.2007

Publicar ou perecer (2) Por que publicar? – A divulgação científica.

Barragem do Xingó

Encontrar o Professor Evandro Mirra é sempre uma oportunidade para ampliar os horizontes. Desta vez, em Ouro Preto em 6 de maio, não foi diferente. Pude contar ao colega as duas viagens que fiz em decorrência da leitura do seu livro “A Ciência que sonha e o verso que investiga”.

Uma, a viagem física, foi para a barragem de Xingó no médio São Francisco. Nas cercanias da barragem, no município de Canindé do São Francisco, em Sergipe, pude ver o efeito positivo da ação do CNPq materializada no Museu Arqueologia do Xingó, que preserva uma parcela do acervo arqueológico coberto pela imensidão da represa. Também pude aprender muito sobre a arqueologia, a cultura e as belezas da região que têm nos canions do rio São Francisco seu carro chefe.

A outra, a viagem intelectual, guiada por seu livro-bússola, foi rumo aos caminhos nordestinos, cariocas, mineiros e paulistas trilhados pelos brasileiros rumo ao uso do álcool como combustível. Por meio de “A ciência que sonha e o verso que investiga” cheguei ao livro “A Saga do Álcool”. Por meio deste cheguei à obra clássica de Sabino de Oliveira,  “Álcool Motor e Motores a Explosão” que pretendo resenhar neste blog.

Não tivesse Evandro Mirra publicado suas reflexões, eu não teria feito as duas viagens que fiz nem teria alargado meus horizontes. Cabe então recordar que publicar é para o intelectual uma tarefa mais ampla uma vez que, como expressou o Prof. Carlos Vogt “A cultura científica desenha uma espiral que se movimenta em quatro quadrantes. Seu ponto de partida é a produção e difusão da ciência entre os pares, função que envolve pesquisadores e o aparelho institucional de fomento e produção do conhecimento; se amplia para o ensino da ciência e formação de cientistas, envolvendo cientistas, professores e estudantes, desde o ensino fundamental até a pós-graduação; avança em direção do ensino para a ciência que tem como atores desde professores e diretores de museus até jovens estudantes, e completa um círculo com a divulgação científica, quando o conhecimento produzido reverbera para a sociedade como um todo antes de reiniciar o ciclo, cada vez mais estendido” .

Nesse caso (e talvez em todos!) a obra escrita desligou-se de seu autor e foi servir de bússola para um leitor curioso. Obrigado Evandro!

Amilton Sinatora

A WIKI-TRIBOLOGIA brasileira

Com o post sobre “o que é tribologia” (http://pt.wikipedia.org/wiki/Tribologia) iniciamos uma contribuição sistemática para a WIKIPEDIA sobre nossa área de atuação.

Esta atitude muito simples decorre da inclusão desta atividade – fazer, apresentar, discutir e “postar o post” – entre as atividades didáticas obrigatórias dos alunos que cursam minha disciplina de pós graduação “PME 5873 – Introdução ao estudo do desgaste”. Em outras palavras, preparar e postar “valem nota”.

Com isto, creio, estimula-se no aluno uma visão menos privatista do conhecimento, obrigando-o a compartilhar uma pequeníssima parcela do que ele aprendeu. Numa escola de engenharia isto não é uma atividade fácil nem óbvia. Afinal os engenheiros são treinados para a ação e apropriação individual.

Do ponto de vista da tribologia no Brasil, a contribuição aponta um caminho, o da difusão dos conhecimentos de nossa área de atuação para um público imensamente mais amplo do que aquele que freqüenta nossas salas de aula.

Em segundo lugar, abrimos o debate público sobre conceitos de tribologia uma vez que a WIKIPEDIA é um instrumento aberto que acolhe sem ressalvas alterações e melhorias.

Quem sabe se ampliando a difusão dos conceitos e promovendo intensamente o debate não damos passos para consolidar a tribologia como uma das áreas do conhecimento na qual nosso país é excelente e reconhecido?

Os temas oferecidos aos alunos foram os que listamos abaixo e que deixo como sugestão para colegas que desejem “postar” ampliando a WIKI-TRIBOLOGIA brasileira.

• Definição de tribologia
• Definição de sistema tribológico ou tribossistema
• Definição de força de atrito
• Definição de coeficiente de atrito
• Definição de desgaste
• Definição e tipos de desgaste por deslizamento
• Definição de desgaste por partícula dura e a diferenciação entre erosão e abrasão
• Definição de cavitação
• Definição dos regimes severo e moderado de desgaste
• Definição de regime permanente e running in em desgaste
• Definição de lubrificação
• Definição dos regimes de lubrificação
• Definição de área real e área aparente de contato
• Definição de tipos de contato conforme e não conforme

Amilton Sinatora

Sobre a engenharia de superfícies

A engenharia de superfícies é usada em larga escala nos sistemas produtivos de países com altos índices de desenvolvimento industrial. Trata-se da tecnologia de preparação e modificação das superfícies de componentes de engenharia para cumprir funções específicas dentro de uma aplicação, em geral sem modificar significativamente as dimensões dos componentes para a aplicação projetada. Ela promove avanços tecnológicos que produzem soluções eficazes na vanguarda de diversos segmentos industriais.

Praticada empiricamente há milênios pelo homem, a consolidação da engenharia de superfícies como tecnologia – prática com base na ciência – ainda hoje é dificultada pelo conhecimento limitado da Físico-Química das superfícies e interfaces sólidas. Essas têm comportamento completamente diferente e muito mais complexo do que o do volume (bulk, em inglês) dos sólidos. Confirmando isso, o Prêmio Nobel de Química em 2007 foi concedido a Gerhard Ertl, um especialista em fenômenos físico-químicos de superfícies. A frase de Wolfgang Pauli, “God made solids, but surfaces were the work of the Devil. …”, continuará justificando esforços para compreender e controlar as superfícies. Conseqüentemente, a investigação das superfícies e interfaces sólidas e suas aplicações continuarão sendo vanguardas da Físico-Química por muito tempo.

A engenharia de superfícies permite, por um lado, a síntese de superfícies com propriedades benéficas inusitadas. Por outro lado, o conhecimento científico e o controle dos processos são ainda insuficientes.  Um exemplo, escolhido ao acaso entre inúmeros outros, ilustra bem: sabemos há dez anos que componentes de engenharia aeroespacial com revestimento nanolaminado TiN/Ti, ou seja um revestimento compósito de espessura total de aproximadamente 1 a 4 micrometros, formado mediante superposição de 100 a 800 bicamadas de filmes finos do tipo TiN/Ti, com espessura típicas de 5 a 8 nanometros cada bicamada, apresentam propriedades mecânicas e tribológicas muito superiores se comparados com os mesmos componentes revestidos com uma única bicamada TiN/Ti com a mesma espessura total de 1 a 4 micrometros. Entre outras propriedades excepcionais, destacam-se:

a) ultra-dureza – dureza superficial até três vezes maior;

b) redução de atrito – coeficiente de atrito até 10 vezes menor;

c) ultra-adesão – força de adesão ao componente de engenharia, em trabalho, até 10 vezes superior.

Esses ganhos inusitados permitem conceber aplicações impensáveis até recentemente na engenharia aeroespacial, automotiva, de instrumentação biomédica e odontológica. Em particular, esses revestimentos não alteram significativamente as dimensões dos componentes de engenharia para a maioria das aplicações. Porém, esses benefícios não são obtidos sistematicamente para qualquer tipo de componente, assim como nem sempre as três propriedades acima são melhoradas na mesma aplicação. Nesse caso, como em inúmeros outros, ainda não temos uma explicação plausível para o fenômeno e nem para a sua escassa reprodutibilidade, o que limita a aplicação de tão importante descoberta. A inserção progressiva dessa tecnologia em sistemas produtivos industriais de grande porte em operação no país agrega valor inquestionável aos produtos pela via da inovação tecnológica, assim como fomenta o surgimento de novos processos, produtos e empreendimentos.

A engenharia de superfícies é usada em larga escala nos sistemas produtivos de países com altos índices de desenvolvimento industrial. Trata-se da tecnologia de preparação e modificação das superfícies de componentes de engenharia para cumprir funções específicas dentro de uma aplicação, em geral sem modificar significativamente as dimensões dos componentes para a aplicação projetada. Ela promove avanços tecnológicos que produzem soluções eficazes na vanguarda de diversos segmentos industriais.

Praticada empiricamente há milênios pelo homem, a consolidação da engenharia de superfícies como tecnologia – prática com base na ciência – ainda hoje é dificultada pelo conhecimento limitado da Físico-Química das superfícies e interfaces sólidas. Essas têm comportamento completamente diferente e muito mais complexo do que o do volume (bulk, em inglês) dos sólidos. Confirmando isso, o Prêmio Nobel de Química em 2007 foi concedido a Gerhard Ertl, um especialista em fenômenos físico-químicos de superfícies. A frase de Wolfgang Pauli, “God made solids, but surfaces were the work of the Devil. …”, continuará justificando esforços para compreender e controlar as superfícies. Conseqüentemente, a investigação das superfícies e interfaces sólidas e suas aplicações continuarão sendo vanguardas da Físico-Química por muito tempo.

A engenharia de superfícies permite, por um lado, a síntese de superfícies com propriedades benéficas inusitadas. Por outro lado, o conhecimento científico e o controle dos processos são ainda insuficientes.  Um exemplo, escolhido ao acaso entre inúmeros outros, ilustra bem: sabemos há dez anos que componentes de engenharia aeroespacial com revestimento nanolaminado TiN/Ti, ou seja um revestimento compósito de espessura total de aproximadamente 1 a 4 micrometros, formado mediante superposição de 100 a 800 bicamadas de filmes finos do tipo TiN/Ti, com espessura típicas de 5 a 8 nanometros cada bicamada, apresentam propriedades mecânicas e tribológicas muito superiores se comparados com os mesmos componentes revestidos com uma única bicamada TiN/Ti com a mesma espessura total de 1 a 4 micrometros. Entre outras propriedades excepcionais, destacam-se:

a) ultra-dureza – dureza superficial até três vezes maior;

b) redução de atrito – coeficiente de atrito até 10 vezes menor;

c) ultra-adesão – força de adesão ao componente de engenharia, em trabalho, até 10 vezes superior.

Esses ganhos inusitados permitem conceber aplicações impensáveis até recentemente na engenharia aeroespacial, automotiva, de instrumentação biomédica e odontológica. Em particular, esses revestimentos não alteram significativamente as dimensões dos componentes de engenharia para a maioria das aplicações. Porém, esses benefícios não são obtidos sistematicamente para qualquer tipo de componente, assim como nem sempre as três propriedades acima são melhoradas na mesma aplicação. Nesse caso, como em inúmeros outros, ainda não temos uma explicação plausível para o fenômeno e nem para a sua escassa reprodutibilidade, o que limita a aplicação de tão importante descoberta. A inserção progressiva dessa tecnologia em sistemas produtivos industriais de grande porte em operação no país agrega valor inquestionável aos produtos pela via da inovação tecnológica, assim como fomenta o surgimento de novos processos, produtos e empreendimentos.

Saudações,

Israel