Leonardo da Vinci bestudeerde tribologie?

De kunstenaar en uitvinder Leonardo da Vinci heeft met zijn schilderijen en schetsen de wereld meerdere malen versteld doen staan. Met zijn experimenten en notities maakte hij duidelijk dat hij zijn tijd ver vooruit was. In juli 2016 is bekend gemaakt dat Leonardo da Vinci zich ook geruime tijd bezig heeft gehouden met wrijvingskunde, oftewel tribologie. Deze conclusie wordt getrokken door professor Ian Hutchings. Hij heeft de notities van da Vinci van een schetsboekje uit 1493 opnieuw bestudeerd en is tot de ontdekking gekomen dat gekomen dat da Vinci minimaal 20 jaar heeft geëxperimenteerd met wrijvingskunde.

Een kunsthistoricus wist eerder de aantekeningen van Leonardo da Vinci in het kleine schetsboekje van 9 bij 6 centimeter niet op waarde te schatten en deed ze als “irrelevante notities en diagrammen in rood krijt”. Het blijkt volgens professor Ian Hutchings dat er daadwerkelijk een schets is weergegeven van een natuurkundig experiment. Deze schets kreeg eerder geen aandacht omdat er een vrouwentronie was getekend in het boekje waarnaar de aandacht van de meeste kunsthistorici uitging. Het schetsboekje behoort tot de collectie van het Victoria and Albert Museum in Londen.

Tribologie in de ogen van da Vinci
Leonardo da Vinci probeerde de wrijvingsleer of tribologie te illustreren. Daarvoor maakte hij een tekening die voorzien is van een rij blokken. Deze blokken worden door een gewicht getrokken en daardoor verplaatst. Daarbij treed een bepaalde mate van wrijving op. Het onderzoek naar wrijving was voor Leonardo da Vinci belangrijk in verband met verschillende beroemde uitvindingen zoals helikopters en tanks.

Omdat bij verplaatsing wrijving optreed in verschillende vormen moeten deze wrijvingskrachten worden overwonnen door andere krachten om het voertuig in de gewenste richting te verplaatsen. Volgens Ian Hutchings lijkt de opstelling die Leonardo da Vinci heeft getekend sprekend op een experiment dat tegenwoordig wordt gebruikt om wrijvingskunde inzichtelijk te maken. Volgens de professor heeft de beroemde uitvinder da Vinci daadwerkelijk geëxperimenteerd met tribologie. Hij verklaard dat het begrip van Leonardo da Vinci met betrekking tot wrijvingsleer veel genuanceerder is geweest dan velen dachten. Leonardo publiceerde zijn bevindingen echter niet. Daardoor duurde het nog geruime tijd voordat de wetenschap daadwerkelijk wetten opstelde over wrijvingsleer. Veel later bestudeerde de  Fransman Guillaume Amontons (Parijs, 31 augustus 1663 – Parijs, 11 oktober 1705) ook de tribologie. Daarvan zijn wel duidelijke gegevens bekend gemaakt in die tijd. Daarom wordt Guillaume Amontons gezien als de vader van de tribologie.

Reactie van Technisch Werken
Leonardo da Vinci is een bijzonder mens geweest met een enorme creatieve geest. Hij heeft machines bedacht die revolutionair waren in die tijd. Uiteraard moet je bij de ontwikkeling van machines ook rekening houden met natuurkunde en de processen die daarin worden bestudeerd. In de tijd van Leonardo da Vinci was echter zeer weinig over deze processen beschreven. De uitvinder moest daarom veel processen zelf uitvinden. Dat zorgde er voor dat hij voor zijn uitvindingen als het ware nog meer uitvindingen moest doen. Het uitvinden vormde een soort kettingreactie.

Wat zijn lagers in de techniek?

Lagers worden gebruikt in machines en constructies voor het opvangen of verlagen van wrijving tussen bewegende delen. Er zijn verschillende soorten lagers. Omdat lagers wrijving moeten opvangen gebruikt men over het algemeen perfect ronde kogels, maar men kan ook rollers gebruiken. Het soort lager dat men toepast is afhankelijk van de beweging die door de lagers soepeler moet verlopen. Als er sprake is van een rotatie gebruikt men kogellagers. Bij een lineaire beweging bijvoorbeeld bij horizontaal of verticaal van elkaar bewegende machinedelen kan men ook gebruik maken van rollers. Rollers zijn cilindrische vormen. Lagers worden over het algemeen ingedeeld op basis van de vorm en de bewegingsrichting.

Waarom worden lagers toegepast?
Lagers worden toegepast om de wrijving tussen machinedelen te beperken. Door de wrijving te verminderen kunnen machinedelen soepeler bewegen. Daarnaast zorgt het verlagen van de wrijving er ook voor dat machinedelen minder snel zullen slijten. Door de toepassing van lagers kunnen processen dus soepeler verlopen en wordt de levensduur van machinedelen verlengd.  Er zijn echter zeer veel verschillende factoren die er voor zorgen dat bepaalde lagers juist wel of juist niet geschikt zijn voor een specifieke toepassing.

Aandachtspunten bij toepassen lagers
Er zijn een aantal aspecten waar men rekening mee moet houden als men lagers wil toepassen. Allereerst zal men moeten kijken naar de beweging die soepeler moet verlopen. Hierdoor wordt de vorm van de lagers bepaald. Ook moet men kijken naar de omvang van de lagers. Als er grote druk op de lagers wordt uitgeoefend zullen de lagers ook over een bepaalde hardheid moeten beschikken. Het materiaal van de lagers is dus ook belangrijk.

Dit kan een hard metaal zijn maar ook harde kunststoffen worden gebruikt. De oppervlakte van de lagers moet een hoog afwerkingsniveau hebben, immers als de lagers ruw zijn treed er alsnog wrijving op. Vaak past men voor een extra soepele beweging een bepaald smeermiddel toe. Dit smeermiddel moet over de juiste viscositeit beschikken. Deze viscositeit is afhankelijk van het materiaal maar ook afhankelijk van de warmte die vrijkomt bij de beweging van de lagers.

Als men de juiste lagers toepast wordt de wrijving vermindert door zowel de vorm als het materiaal van de lager. Vloeistoffen in de vorm van smeermiddelen kunnen daarbij worden beschouwd als een extra middel om de wrijving te reduceren.

Wat is tribologie en wat doet dit vakgebied binnen de werktuigbouwkunde?

Tribologie wordt ook wel wrijvingskunde genoemd. Het is een specifieke tak binnen de werktuigbouwkunde. In het woord tribologie zit het Griekse woord ‘tribe’ dat wrijving betekend. Tribologie is het vakgebied waarin onderzoek wordt gedaan naar wrijvingsverschijnselen en slijtageverschijnselen die kunnen ontstaan op contactvlakken van materialen. Deze slijtage kan onder andere ontstaan door wrijving daarom wordt tribologie ook wel wrijvingskunde genoemd. Er wordt gekeken naar het effect van wrijving onder verschillende omstandigheden. Zo wordt er gekeken naar het effect van wrijving onder droge omstandigheden en natte omstandigheden. Daarnaast wordt gekeken naar het effect van wrijving bij verschillende temperaturen. Hieronder is in een aantal alinea’s weergegeven waar het vakgebied tribologie mee verbonden is.

Ruwheid van materiaal
Binnen tribologie worden daarnaast verschillende materialen onderzocht. Er wordt gekeken naar de materialen die veel wrijving veroorzaken wanneer ze met elkaar in contact komen en naar materialen die bij contact weinig wrijven. Een glad oppervlak zorgt voor minder wrijving dan een ruw oppervlak. De ruwheid van materialen wordt binnen de tribologie weergegeven in micrometers en verschillende waarden zoals ‘Ra, Rx, Rh’.

Levensduur van machineonderdelen
Wrijving en slijtage moeten in de werktuigbouwkunde zoveel mogelijk worden beperkt. Dit bevordert namelijk de levensduur van de machineonderdelen. Onderdelen van machines die onderhevig kunnen zijn aan slijtage en wrijving zijn bijvoorbeeld lagers, remmen en loopvlakken van machineonderdelen. Het is belangrijk dat deze machineonderdelen zo lang mogelijk meegaan. Wanneer deze onderdelen vaak vervangen moeten worden staan machines stil en zijn de onderhoudskosten hoog. Daarom is één van de belangrijkste doelstellingen van tribologie het beperken van slijtage en wrijving.

Levensduur van lagers
Binnen de tribologie kan bijvoorbeeld specifiek onderzoek worden gedaan naar de levensduur van lagers. Deze levensduuranalyse kan worden gedaan voordat machines daadwerkelijk een bepaald type lager gaan gebruiken. De keuze van de juiste lager is van groot belang voor de ontwikkeling van machines. Wanneer in machines verkeerde lagers worden toegepast kan dit er voor zorgen dat de machines in de praktijk niet effectief kunnen worden gebruikt. Daarnaast zullen de onderhoudskosten omhoog gaan omdat de lagers regelmatig vervangen moeten worden. Na de toepassing van lagers in een machine kan ook worden onderzocht waarom bepaalde lagers veel wrijving veroorzaken of juist niet. Dit is over het algemeen minder verstandig omdat de lagers dan reeds zijn toegepast. Naast lagers worden ook andere machineonderdelen die in contact komen met elkaar onderzocht op de effecten van de wrijving.

Tribologie en metallurgie
De materialen zoals metalen en metaallegeringen waaruit machineonderdelen bestaan moeten naast slijtvastheid ook aan andere eisen voldoen. De mechanische eigenschappen van materialen zijn erg belangrijk. Een metallurg stelt bijvoorbeeld bepaalde eisen aan de sterkte en corrosievastheid van metalen die toegepast worden in een constructie. Ook de manier waarop een metaal verwerkt en vervormd kan worden en de prijs van metaal is van invloed. Soms moeten metalen worden toegepast die minder slijtvast zijn maar toch over andere goede mechanische eigenschappen beschikken.

Tribologie en de toepassing van smering
Een oplossing waarmee de wrijving zoveel mogelijk tegen kan worden gegaan is het gebruik van smeermiddelen. Smeermiddelen zorgen voor smering tussen machineonderdelen. Binnen tribologie wordt aandacht besteed aan de juiste smeermiddelen die de wrijving tussen de machineonderdelen kunnen beperken. Er zijn zeer veel verschillende smeermiddelen die specifieke eigenschappen hebben. Smeermiddelen worden meestal in drie hoofdgroepen ingedeeld: vaste smeermiddelen, vloeibare smeermiddelen en plastische smeermiddelen zoals smeervetten. Daarnaast is het mogelijk om smeermiddelen in te delen in grondstoffen. Zo worden sommige smeermiddelen vervaardigd uit dierlijke en plantaardige vetten. Dit worden ook wel bio-smeermiddelen genoemd omdat ze biologisch goed afbreekbaar zijn. Veel olie die toegepast wordt is echter minerale olie. Deze olie is biologisch moeilijk afbreekbaar maar wordt wel veel gebruikt vanwege de gunstige smeereigenschappen. Met name de viscositeit is van groot belang bij de beoordeling van smeermiddelen. De viscositeit is een term waarmee de stroperigheid of traag vloeibaarheid van een stof wordt aangeduid. Door de smeermiddelen met de juiste viscositeit toe te passen kan de slijtage aan machineonderdelen worden beperkt. De wrijving treed dan op in het smeermiddel zelf en minder tussen de machineonderdelen.