La Mecánica Clásica de Contacto está asociada a Heinrich Hertz. En el año 1882, Hertz solucionó el problema del contacto entre dos cuerpos elásticos de superficies curvas. Este resultado clásico sienta las bases de la Mecánica de Contacto aún hoy en día. Y no fue hasta un siglo más tarde que Johnson, Kendall y Roberts encontraron una solución análoga al contacto adherente (Teoría JKR), posiblemente debido a que, según la experiencia cotidiana, los cuerpos rígidos no se adherían. Solo con el surgimiento de la microtecnología, la adherencia pasa a ser un problema a tratar por los ingenieros. De forma casi simultánea, Derjagin, Müller y Toporov desarrollaron una nueva teoría para el contacto adherente. Y tras una acalorada discusión, Tabor reconoció que ambas teorías eran casos límite de un problema común.
A pesar de su evidente importancia, parece sorprendente que los fenómenos de desgaste fuesen tratados tan relativamente tarde. Esto puede ser debido a que el desgaste se manifiesta sobre todo en las interacciones entre micro-contactos, lo cual no se empezó a investigar, desde el punto de vista tribológico, hasta después de los trabajos de Bowden y Tabor. La ley del contacto abrasivo "el desgaste es proporcional a la carga y al camino recorrido, e inversamente proporcional a la dureza de los materiales en contacto" fue enunciada por M. Khrushchov (1956) tras minuciosos experimentos, y confirmada más tarde por Archard (1966). La investigación del desgaste adhesivo está asociada a los nombres de Tabor y Rabinowicz. Sin embargo, y a pesar de estos estudios, los mecanismos por los que se produce el desgaste, sobre todo en condiciones de «bajo desgaste», siguen siendo uno de los fenómenos tribológicos menos conocidos.
Desde los años noventa del siglo xx, la Mecánica de Contacto y la Física del Rozamiento, o de la Fricción, han visto un nuevo renacer. El desarrollo de métodos experimentales para el estudio de los procesos de fricción a escala atómica (la microscopía de fuerza atómica, la microscopía de fuerza de fricción, la microbalanza de cristal de cuarzo, el aparato de fuerzas superficiales), así como de métodos numéricos de simulación, han desencadenado un aumento de los trabajos de investigación en el campo del rozamiento en cuerpos rígidos.
De igual forma, el desarrollo de la Microtecnología ha contribuido a aumentar el interés por la Mecánica de Contacto y la Física de la Fricción. De hecho, los experimentalistas tienen ahora la posibilidad de investigar sistemas bien definidos bajo condiciones muy controladas. Hoy en día es posible, por ejemplo, regular el espesor de una película o controlar el desplazamiento relativo entre superficies rígidas con una precisión mayor que la distancia interatómica. No obstante, existe aún una brecha entre la Tribología clásica y la Nanotribología, que no se ha podido tratar hasta la fecha.
Se comenzará el tratamiento de los fenómenos de contacto con el caso del contacto normal. Por contacto normal se entiende aquel que se establece entre dos cuerpos mediante una fuerza o carga de compresión perpendicular a las superficies de los mismos. Las dos relaciones más importantes que la teoría del contacto normal debe establecer, son las siguientes:
La relación entre la fuerza o carga de compresión y el desplazamiento normal del cuerpo, que a su vez determina la rigidez del contacto y las propiedades dinámicas del sistema.
La relación entre las tensiones o esfuerzos generados en la zona de contacto y la resistencia mecánica del sistema.
Para que existan fenómenos de contacto, rozamiento o desgaste, dos cuerpos han de entrar en contacto. En este sentido, el contacto normal podría considerarse como el requisito básico de todos los fenómenos tribológicos. Hay que tener en cuenta que, incluso en el contacto normal, puede producirse el desplazamiento de las superficies en dirección tangencial de una con respecto a la otra, debido a las tensiones trasversales, también llamadas esfuerzos cortantes, que se generan entre cuerpos en contacto. Por esta razón, las fuerzas de rozamiento o de fricción entran también en juego en los casos de contacto normal. Si se considera que las fuerzas de rozamiento están determinadas por el contacto entre micro-rugosidades superficiales, se verá que, incluso en los casos más sencillos de contacto y a distintas escalas, las contribuciones de las fuerzas normales, tangenciales y del propio rozamiento están muy interrelacionadas. No obstante y en una primera aproximación, se obviarán estas complicaciones para abordar el caso del contacto normal puro, en el que se asumirá que las fuerzas de rozamiento en las superficies en contacto, junto con las siempre presentes fuerzas de atracción "adherencia", son despreciables.
El tratamiento analítico o numérico de los casos de contacto es, incluso en los casos más sencillos, muy complicado. Por el contrario, estos pueden analizarse cualitativamente de forma muy sencilla. Por tanto, se comenzará con los métodos de análisis cualitativo de fenómenos de contacto, que en muchos casos pueden conducir a estimaciones cuantitativas muy certeras. Por tanto, se comenzará con una serie de casos de contacto entre cuerpos de distintas geometrías, la cual puede sentar la base para el tratamiento de casos de contacto más complicados
Nos limitaremos a resumir las definiciones de los parámetros más importantes, que más tarde servirán para el tratamiento cualitativo de los casos de contacto mecánico.
Propiedades elásticas
Propiedades plásticas
Los problemas de contacto pueden resolverse de manera sencilla, siempre que la deformación venga perfectamente determinada por unas condiciones geométricas muy definidas. Tal es el caso de los cuatro ejemplos siguientes.
Paralelepípedo
Película delgada
Casquete esférico invertido
Contacto entre un cilindro recubierto de una película elástica y delgada y un plano rígido
El caso de contacto más sencillo es el que se produce entre un palalelepípedo rectangular y una superficie lisa sin rozamiento. Al presionar el cuerpo contra la superficie, este se deforma elásticamente. Se definirá la profundidad de indentación», d, como la profundidad de la huella que el paralelepípedo dejaría en la superficie, en el caso de que esta no ofreciese ninguna resistencia.
En realidad, el cuerpo no penetra en la superficie rígida, sino que se deforma en una magnitud d. Si la longitud del paralelepípedo es mucho mayor que su anchura, entonces se cumple la llamada condición de esfuerzo o tensión uniaxial y la fuerza elástica resultante viene expresada por la siguiente ecuación: F=EAd/l
donde E es el módulo de elasticidad, A el área de la sección trasversal y l la longitud del paralelepípedo. En este caso, la fuerza es proporcional a la profundidad de indentación d.
Si la longitud del paralelepípedo es mucho más pequeña que su anchura, el medio no se deforma en la dirección trasversal, y en su lugar, experimenta una deformación uniaxial. En este caso, y según la teoría de la elasticidad tenemos:
donde:
v : Es el coeficiente de Poisson (o coeficiente de contracción trasversal). En un medio incompresible, v= 1/ 2 .
A continuación, se considerará el contacto entre un casquete esférico invertido, delgado y elástico, y un plano rígido.
La altura máxima del casquete esférico es l0 , su radio de curvatura R, y a es el radio del área de contacto. Para simplificar, se supondrá que la fuerza de compresión se aplica en una zona donde se cumplen las siguientes condiciones geométricas: d << l0 , l0 << a . Bajo estas condiciones, cada elemento del casquete esférico se deforma uniaxialmente, y por consiguiente, la deformación uniaxial resultante viene dada por el coeficiente de compresión longitudinal igual a:
El perfil del casquete esférico invertido en torno al mínimo puede expresarse en función del radio de curvatura R como
De la figura se deduce que el radio del área de contacto a y la profundidad de indentación d están relacionados mediante la expresión
de forma que para el radio de contacto se obtiene la siguiente igualdad
El desplazamiento vertical de la superficie se puede expresar en función de la coordenada r como
Por tanto, la deformación elástica resultante es igual a
Y el esfuerzo, así como la fuerza resultante ejercida sobre la zona de contacto vienen dados por las siguientes expresiones:
En este caso, la fuerza de contacto es proporcional al cuadrado de la profundidad de indentación. El esfuerzo alcanza un máximo en el centro del área de contacto, siendo igual a