Perché le superfici degli oggetti non sono davvero come le immaginiamo: la rugosità superficiale spiegata

Noi esseri umani siamo creature intrinsecamente simboliche, ovvero tendiamo a semplificare e a idealizzare i vari elementi della realtà per poterli “maneggiare” più facilmente in quell’ambiente astratto qual è il nostro pensiero. Questo processo avviene fin da piccoli quando facciamo corrispondere a degli oggetti molto reali e concreti delle forme geometriche ideali che in natura non esistono. Pensate all’associazione che potremmo fare fra una palla da biliardo e una sfera tanto per citare un esempio fra gli innumerevoli a disposizione: per quanto all’apparenza possa sembrare che fra l’oggetto reale (la palla da biliardo) e la sua rappresentazione idealizzata (sfera) ci possa essere una corrispondenza esatta, le cose in realtà non stanno così.

Nessun oggetto su questo pianeta – e probabilmente nell’intero universo – ha le proprietà per corrispondere perfettamente ad una sfera. Esiste sempre, infatti, per questi oggetti una certa deviazione dalla sfericità perfetta. Attualmente, l’oggetto conosciuto più sferico dell’universo si trova qui sulla Terra e consiste in una palla in silicio dal costo di più di due milioni di dollari. Queste sfere in silicio vengono utilizzate nell’ambito di un progetto di ricerca denominato International Avogadro project il cui fine è quello di aiutare gli scienziati che si occupano di metrologia a ridefinire il kilogrammo – l’unità di misura fondamentale della massa nel Sistema Internazionale di misura. Nonostante l’accuratezza con cui queste sfere metalliche vengono prodotte non abbia rivali, non si possono comunque ancora definire delle sfere ideali.

La rugosità superficiale

Ritornando all’esempio della palla da bigliardo, abbiamo detto che questa – così come anche l’oggetto più sferico di cui abbiamo conoscenza – non è perfettamente assimilabile ad una sfera ideale. Questa deviazione dalla sfericità perfetta ha sostanzialmente due origini: la prima è la deviazione geometrica vera e propria rispetto alla forma della sfera, per esempio quando la palla ha una forma di una sfera leggermente schiacciata; mentre la seconda – che è quella su cui ci concentreremo nell’articolo – è la deviazione della superficie rispetto ad una superficie perfettamente liscia. Tutti gli oggetti di cui facciamo esperienza, anche quelli prodotti secondo i massimi standard di accuratezza, hanno una superficie irregolare piena di picchi e di valli.

Per rimanere sul caso degli oggetti rotondi – ma chiaramente il concetto può essere esteso a qualsiasi altra forma – potete immaginarvi la superficie della palla da biliardo un po’ come quella della Terra: piena di montagne e fondali oceanici. Perciò avete capito che nessun oggetto è davvero liscio, neanche quando la sua superficie ci sembra lucidata a specchio. Questa deviazione della superficie reale da quella ideale è molto importante in ambito tecnico, tanto che quantificarne e controllarne l’estensione risulta cruciale per molte applicazioni.

Da un punto di vista formale, la deviazione rispetto ad una superficie perfettamente liscia viene chiamata rugosità superficiale e può essere quantificata mediante una serie di parametri diversi, fra cui la rugosità media Ra che è uno dei più comuni. Il parametro Ra sostanzialmente fornisce un’indicazione di quale sia la deviazione media della superficie reale da quella idealmente liscia. Perciò, tanto più questo parametro è basso, tanto più liscia risulta la superficie.

Per darvi un’idea più concreta sui valori tipici di rugosità superficiale ottenibili con i processi industriali più comuni, sappiate che tipicamente la rugosità media può andare dai 25 micrometri – millesimi di millimetro – fino a scendere anche sotto al micrometro nel caso di processi molto controllati. Per darvi un termine di confronto, un capello umano ha un diametro di circa 75 micrometri.

Le conseguenze concrete della rugosità superficiale

Come già accennato in precedenza, la rugosità superficiale è un parametro molto importante in ambito tecnico. Per esempio, una tubatura con una rugosità superficiale particolarmente alta necessita di pompe più potenti per il trasporto dell’acqua. In ambito aerodinamico, invece, la rugosità superficiale influisce sulle forze aerodinamiche di cui risente un corpo che si muove in aria. A tal proposito, le palline da golf vengono prodotte intenzionalmente con una rugosità superficiale più alta in modo da ridurre l’azione frenante dell’aria durante il volo.

Spostandoci in ambito più meccanico, la rugosità superficiale diventa particolarmente importante nel determinare la vita a fatica dei componenti sottoposti a vibrazioni intense: più alto è il valore della rugosità superficiale e minore sarà la resistenza a fatica di un oggetto. Questo perché la presenza delle irregolarità funge da “catalizzatore” per la nucleazione delle cricche, le quali poi crescono nel tempo fino a provocare la rottura dei componenti.

Rimanendo sempre in tema meccanica, l’usura dei componenti in movimento viene facilitata da valori più alti di rugosità superficiale, così come il coefficiente di attrito. Di conseguenza, meccanismi caratterizzati da una rugosità superficiale elevata presenteranno perdite energetiche maggiori e saranno quindi meno efficienti, oltre a rovinarsi rapidamente. Questa voleva solo essere una breve lista – sicuramente non esaustiva – degli effetti concreti che la rugosità superficiale degli oggetti può causare, ma speriamo che possa servire a darvi un’idea della complessità che si cela dietro ogni più piccolo aspetto del mondo che ci circonda.

Articolo a cura di Axel Baruscotti