Kitka kemian ilmiönä ja kitkailmiön hyödyntäminen lukion kemian opetuksessa

Kitka kemian ilmiönä ja kitkailmiön

hyödyntäminen lukion kemian opetuksessa

Santeri Haataja

Pro gradu -tutkielma Kemian laitos Materiaalikemia

698/2021

Kitka kemian ilmiönä ja kitkailmiön hyödyntäminen lukion kemian opetuksessa

Haataja, Santeri Iikka

Ohjaajat: Prof. Mika Suvanto, dos. Leila Alvila ja dos. Kari Sormunen Itä-Suomen yliopisto, Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunta Kemian laitos, kemian aineenopettajan koulutusohjelma

Syyskuu 2021

TIIVISTELMÄ

Kitkailmiö on jokapäiväisen elämän mahdollistava tekijä. Kuitenkin sen myötä aiheutuu myös kulumista, mikä tarjoaa kemian kannalta kiinnostavia haasteita. Kitkan suuruutta ja kulumista voidaan säädellä kemian kautta, esimerkiksi voiteluaineiden avulla. Voiteluaineilla saavutettava hyöty voi vaikuttaa laitteen käyttöikään merkittävästi.

Vaikkakin kitkailmiö mielletään yleensä fysiikan aiheeksi, on sitä syytä tutkia myös kemian kannalta. Fysiikan ja kemian yhdistäminen on luontevaa, sillä nämä kaksi luonnontiedettä ovat sukulaisia toisilleen. Opetuksessa painotetaankin monitieteellisyyttä ja kitkailmiön tutkiminen mahdollistaa muidenkin oppiaineiden yhdistämisen tämän asian käsittelyyn.

Nykyinen Lukion opetussuunnitelman perusteet 2019 (LOPS) ei varsinaisesti mainitse kitkailmiön opetusta esitellyissä kemian teemoissa. Kuitenkin tarkasteltaessa nykyistä LOPS:a on huomattavissa, että kitkailmiö liittyy useaan esitellyistä teemoista. Kitkailmiö tarjoaakin useita eri yhtymäkohtia arkielämän ilmiöihin ja erityisesti ympäristöongelmiin.

Kitkailmiötä tarkemmin tutkiessa huomataan, että perinteinen esitystapa ei ole riittävä kuvaamaan jokaista kitkailmiöön liittyvää aihetta. Luonnontieteiden opetuksessa käytetäänkin yleistyksiä, mitkä voivat aiheuttaa opiskelijoille vääränlaista ajattelumallia. Opetuksessa tulisikin painottaa ilmiöiden oikeaa luonnetta esittelemällä myös tilanteita yleistyksien ulkopuolelta.

Asiasanat: Kitkailmiö, kuluminen, kemian opetus, ilmiölähtöisyys

Friction as a phenomenon in chemistry and teaching of friction in high school chemistry

Haataja, Santeri Iikka

Supervisors: Prof. Mika Suvanto, doc. Leila Alvila, doc. Kari Sormunen University of Eastern Finland, Faculty of Science and Forestry

Department of Chemistry, Chemistry Teacher Education Program September 2021

ABSTRACT

Friction as a phenomenon makes it possible to live our life as it is. However, friction causes always wear, which provides interesting challenges for chemistry research. Amount of friction and wear can be regulated with chemistry and especially with lubrication. The benefit acquired from using lubrication may significantly affect the lifespan of machinery.

Usually, friction as a phenomenon is thought to be only a subject of physics. But it is necessary to consider the chemistry of friction. Combining physics and chemistry are easy because of the nature of these two natural sciences. High school education in Finland emphasizes multidisciplinary teaching and friction provides opportunity to mix various school subjects with each other.

Current national core curriculum for upper secondary school does not present friction as a phenomenon directly in chemistry education. Nevertheless, when looking deeper into curriculum, it is observed that friction is related to multiple themes introduced. Friction makes it possible to combine everyday life topics and especially environmental issues with education.

When searching the theory behind friction it is noticed that traditional ways to present friction are not always exact. This is very common in natural sciences. Generalization of subjects may help students, but it can also confuse them. Teaching should also emphasize appropriate models and theories outside of these generalizations.

Keywords: friction, wear, chemistry education, phenomenal learning

SISÄLLYS

1. Johdanto ... 4

2. Kitka ... 5

2.1. Kitka ilmiönä ... 5

2.2. Kitkailmiön mallintaminen mikrotasolla ... 6

2.3. Kitka ja kemia ... 10

3. Kuluminen ... 14

3.1. Kulumismekanismeja ... 14

3.2. Pinnan kuluminen ja kulumisen säätely ... 15

4. Kitkailmiö lukion kemian opetuksessa ... 17

4.1. Kitkailmiö ja lukion kemian opetussuunnitelman perusteet 2019 ... 17

4.2. Tapoja lähestyä kitkailmiön opetusta ... 18

5. Johtopäätökset ... 22

6. Kiitokset ... 23

7. Viitteet ... 24

1. Johdanto

Luonnontieteiden opetuksessa lukiotasolla on monia ilmiöitä, joita voidaan opettaa sekä kemian että fysiikan kannalta. Eräät näistä ilmiöistä ovat kitka ja kuluminen. Monelle nämä käsitteet ovat tuttuja fysiikan opintojen puolelta. Tässä pro gradu -tutkielmassa tutustutaan tarkemmin kitkaan ja kulumiseen ilmiöinä, syvennetään kitkaan liittyviä kemian kannalta tärkeitä teemoja sekä perehdytään kitkan käyttöön lukiotason kemian opetuksessa.

Kitka on tiiviisti läsnä meidän arkielämässämme. Ilman kitkaa ihmisen olisi esimerkiksi mahdotonta pystyä seisomaan jaloillaan tai polkea polkupyörällä. Kuitenkin kitkalla on myös varjopuolensa – jos kitkaa ei voitaisi ollenkaan säädellä, olisi pyörällä polkeminen erittäin raskasta ja kuluttaisi runsaasti energiaa.¹ Tästä syystä kitkaa ilmiönä olisi syytä tarkastella enemmän myös kemian opetuksessa, sillä kemian avulla voidaan helpottaa ihmisten arjen lisäksi tekniikan käytettävyyttä ja taloudellisuutta. Erityisesti kitkan säätelyllä saadaan halutun suuruinen kitka, mikä edistää teknologian energiatehokkuutta ja käyttöikää.

Kitkan ja kulumisen tutkimisen juuret ovat syvällä historiassa, aina Egyptin pyramidien rakentamisessa saakka. Tarkemmin kuitenkin kitkaa tutki Leonardo da Vinci (1452–1519) 1400-luvun lopussa ja 1500-luvun alussa. Da Vincin tutkimukset loivat pohjaa kitkan perinteiselle fysiikan voimatarkastelulle.² Muita tärkeitä henkilöitä kitkan tutkimisessa olivat ranskalaiset Guillaume Amontons (1663–1705) ja Charles-Augustin de Couloumb (1736–

1806).^1,2 Amontons kehitti kitkailmiöön liittyvät peruslait: kitkavoima on verrannollinen normaalivoimaan ja kitkavoima on riippumaton kosketusalueesta. Couloumb vahvisti nämä Amontonsin teoriat.

Kitkan tutkimisen historiallinen kehittyminen on ollut hidasta lähinnä puutteellisten tutkimusvälineiden vuoksi, joten vasta 1900-luvulla tutkimista laajennettiin atomitasolle.^1,2 Syvempi tarkastelu vaatii pintojen rakenteiden tuntemista ja niiden muokkaamista optimaalisen kitkan takaamiseksi. Kitkaa säätelemällä voidaan vaikuttaa esimerkiksi pintojen kulumiseen ja säätelemällä mahdollistetaan tekniikan kehittyminen sekä pidempi käyttöikä.

Kemian kannalta kitkassa mielenkiintoista on erityisesti materiaalien pinnat ja voiteluaineiden käyttö. Viime vuosikymmeninä yleistynyt nanoteknologian tutkiminen on kasvanut edistyksellisempien tutkimusmenetelmiä keksimisen myötä.¹ Nanoteknologiassa käytetään erittäin pienen mittakaavan rakenteellisia muutoksia hyödyksi, jolloin saadaan muokattua käytettävälle aineelle halutut fysikaaliset ominaisuudet.

2. Kitka

2.1. Kitka ilmiönä

Kitka voidaan jakaa kahteen eri kategoriaan: staattiseen ja kineettiseen kitkaan.¹ Staattisella kitkalla tarkoitetaan paikallaan olevien kahden kappaleen tai aineen välistä kitkaa. Kineettisellä kitkalla puolestaan tarkoitetaan liikkeessä olevien pintojen välistä kitkaa eli niiden kykyä vastustaa liikettä. Kineettinen kitka voidaan jakaa vielä pyörimisen ja liukumisen kitkaan, jotka molemmat tulevat kyseeseen atomi- ja molekyylitason kitkaa tarkastellessa. Kouluopetuksessa voidaan puhua myös lepokitkasta (staattinen kitka) ja liikekitkasta (kineettinen kitka).

Kitkaa kuvataan perinteisesti kaavalla³

𝐹

= 𝐹

× µ,

missä 𝐹_𝑥 on kitkavoima, 𝐹_𝑁 on kappaleeseen kohdistuva normaalivoima ja µ on kitkakerroin.

Kitkakerroin on kappaleesta tai aineesta riippuvainen suure. Kuvassa 1 havainnollistetaan kitkaa pinnan ja kappaleen välillä oppikirjoista tutulla mallilla. Kemian kannalta mielenkiintoisia ovat kuvan suurennoksessa näkyvät pintojen muodot ja hienorakenteet.

Kontaktipintojen luonne vaikuttaa oleellisesti kitkan suuruuteen.

Kuva 1. Kuvassa on esitettynä voimakuvio kappaleen ja pinnan välillä. F kuvastaa kappaleeseen kohdistuvaa voimaa, FN tarkoittaa normaalivoimaa ja FX on kitkavoima. Kappale liikkuu nopeudella v.

Suurennoksessa on pintojen muotoa mikrotasolla. mukaillen 4

Kaavasta 1 huomataan, että kitkakerroin määritellään kitkavoiman ja normaalivoiman suhteena.

Kitkaa tutkittaessa usein ollaankin kiinnostuneita kitkakertoimesta, sillä sitä voidaan säädellä esimerkiksi voiman määrän tai voiteluaineiden avulla.⁵ Myös eri aineet omaavat erilaiset kitkakertoimet. Kuvassa 2 on esitetty kitkakertoimen muutosta kahden alumiinista valmistetun pinnan välillä säätelemällä kappaleeseen kohdistuvaa voimaa (normaalivoimaa FN).

Kuva 2. Kitkakertoimen muutos kuvattuna normaalivoiman suuruuden funktiona kahden alumiinista valmistetun pinnan välillä. Kuvaajasta huomataan, että kitkakerrointa voidaan säätää normaalivoiman suuruuden avulla. mukaillen 5

Siirryttäessä tarkastelussa atomitasolle huomataan, että kaava 1 ei enää päde, sillä kitkavoiman ja normaalivoiman riippuvuus ei pysy lineaarisena. Tämä johtuu suurimmaksi osaksi adheesiosta, eli kahden aineen välisestä vetovoimasta.³ Yleispätevää kaavaa atomitason kitkan tarkastelulle ei voida määrittää, joten kitkan tutkiminen erilaisten aineiden välillä on tärkeää.

2.2. Kitkailmiön mallintaminen mikrotasolla

Kitkailmiön mallintaminen mikroskooppisen pienessä mittakaavassa on haasteellista opetuksessa.⁴ Lukiotasolla kitkan syvempään tarkasteluun ei juurikaan perehdytä, vaan kitkaa ajatellaan liikettä vastustavana voimana. Kitkailmiö voidaan kuitenkin jakaa pienempiin osasiin, joita voidaan myös mallintaa esimerkiksi matemaattisesti tai graafisesti.

Ennen varsinaista liikettä tarkasteltavien kappaleiden välillä (eli hyvin pienten siirtymien aikana) havaitaan hystereesinomaisesti käyttäytyvää kitkavoimaa, mikä johtuu pääsääntöisesti adhesiivisten kosketusten rikkoutumisesta.⁴ Tämä tarkoittaa sitä, että kitkavoima ei muutu täysin lineaarisesti pienten siirtymien alueella. Voidaan myös sanoa, että kitkavoiman suuruus ei muutu yksinomaan sillä hetkellä vaikuttavien suureiden vuoksi. Tätä ilmiötä havainnollistetaan kuvassa 3.

Kuva 3. Kuvaajassa A on esitetty siirtymä ajan funktiona. Kuvaajassa B on esitetty kitkavoima siirtymän funktiona. Huomataan, että kitkavoiman suuruus ei muutu täysin lineaarisesti. mukaillen 4

Kuvassa 3 nähdään kaksi eri kuvaajaa A ja B. Kuvaajassa A on kuvattu kappaleen siirtymää pisteiden a-f välillä ajan funktiona. Kuvaajassa B on havainnollistettu kitkavoiman muutosta pisteiden a-f välillä muutoksen suuruuden funktiona kuvaajan A mukaisessa liikkeessä.

Huomataan esimerkiksi välillä a-b-a tapahtuvasta siirtymästä se, että kitkavoima ei muutu täysin lineaarisesti vaan se muodostaa syklisen riippuvuuden. Tämä ilmiö on merkittävää, sillä yleensä kitkavoima määritellään kaavan 1 mukaisesti täysin lineaarisena. Huomataan myös, että kyse ei ole millisekuntien aikaisesta muutoksesta, vaan puhutaan sekunneista.

Tämän ilmiön selittämiseksi tarvitaan kaksi varsinaisen liukumisen aikana tapahtuvaa ilmiötä, joita kutsutaan Stribeckin käyräksi ja ”kitkamuistiksi” (friction memory). Tarkastellessa kitkavoimaa tasaisen liikkeen aikana eri nopeuden arvoilla, syntyy näiden kahden suureen välille tunnuksenomainen riippuvuus, jota kutsutaan Stribeckin käyräksi.⁴

Stribeckin käyrälle on olemassa useampia eri variaatioita. Yleisin tapa on tarkastella kitkakertoimen riippuvuutta Herseyn luvun funktiona.⁶ Herseyn luku määritellään seuraavasti⁷

𝐻 =

𝐹_𝑁

,

missä H on Herseyn luku, ƞ on voiteluaineen viskositeetti, v on nopeus ja FN on normaalivoima.

Kuitenkin voidaan käyttää myös muotoa, jossa kitkavoiman suuruus esitetään nopeuden funktiona, vaikkakin yleensä käytetään kitkavoiman sijasta kitkakerrointa. Kuvassa 4 on Stribeckin käyrä sen tavanomaisimmassa muodossaan.⁷

Kuva 4. Stribeckin käyrä, joka on tunnusomainen muoto kuvaajassa esitettäessä kitkakerroin Herseyn luvun funktiona. mukaillen 7

Kitkamuistissa on pääosin kyse samasta ilmiöstä kuin pienten siirtymien kitkavoimassa – kitkan suuruus ei muutu täysin nopeuden funktiona.⁴ Kitkan suuruuden muutos ikään kuin seuraa perästä nopeuden muutosta, mikä ilmenee kuvaajissa syklinä. Stribeckin käyrää ja kitkamuistia havainnollistettuna kuvassa 5. Huomataan kuvaajan A kohdan suurennoksen vihreän käyrän yhtäläisyys kuvan 4 Stribeckin käyrään.

Kuva 5. Stribeckin käyrän (A) ja kitkamuistin (B) havainnollistaminen. Stribeckin käyrästä (A) havaitaan kitkavoiman muuttuminen epälineaarisesti nopeuden funktiona. Kitkamuistin (B) tapauksessa kuvaajasta nähdään, että kitkavoiman muuttuminen tarvitsee aikaa nopeuden muuttuessa. mukaillen 4 Stribeckin käyrästä (kuva 5 A) huomataan, että tasaisessa liikkeessä olevan kappaleen nopeuden arvoa nostettaessa kitkavoiman suuruus pienenee ja hetken päästä kasvaa uudestaan.

Kiinnostavaa ilmiössä on, että se pätee voideltujen pintojen lisäksi kuivien pintojen tilanteessa.

Voideltujen pintojen tapauksessa kitkavoiman pienenemistä voidaan selittää sisäisen paineen kertymisellä. Vastaavasti kitkavoiman suureneminen minimin saavuttamisen jälkeen selittyy käytetyn voiteluaineen muodostaman kalvon leikkautumisella irti.⁴

Kitkamuistin kohdalla (kuva 5 B) näemme taustalla Stribeckin käyrän ja sen ympärillä kitkavoiman mittaustuloksia dx/dt (erittäin pienen nopeuden muutoksen) funktiona. Tässä kuvaajassa ei ole enää kyseessä tasainen liike. Huomataan, että kitkan muutos vaatii aikaa

nopeuden muuttuessa eli kitka ei muutu täysin reaaliajassa.⁴ Tämä nähdään kuvaajasta siitä, että kitkan ja nopeuden muutoksen riippuvuus muodostaa jälleen kerran syklin lineaarisen suoran sijaan.

2.3. Kitka ja kemia

Kitkailmiöllä on suuri merkitys päivittäisen elämän laitteiden ja keksintöjen yhteydessä.⁸ Tästä syystä kitkan tarkastelu näin pienessä mittakaavassa luo mahdollisuuksia kemian hyödyntämiselle kitkan säätelyssä. Tutkiminen kohdistuu yleensä erilaisten aineiden, voiteluaineiden ja pintarakenteiden käyttöön. Tärkeimpiä tutkimusten tavoitteita ovat kitkan vähentäminen ja kulumisen estäminen, koska tällä tavalla voidaan säästää runsaasti energiaa ja energiansäästöllä saavutetaan taloudellista hyötyä.

Kitkaa tutkitaan usein joko kahden kiinteän aineen välillä tai kiinteän ja nesteen välillä.

Atomitasolla tilanne on esimerkiksi kuvan 6 kaltainen. Huomataan, että kiinteän ja nesteen liukumisessa yksiatominen neste ei pääse kunnolla liukumaan, sillä sen atomit tarttuvat kiinteän aineen atomien väleihin. Kahden kiinteän aineen välillä olevassa liukumisessa kappaleet pääsevät liukumaan paremmin.⁸ Tätä tietoa voidaan hyödyntää esimerkiksi sopivien aineiden valitsemisessa teollisuudessa.

Kuva 6. Kiinteän ja yksiatomisen nesteen (vasemmalla) ja kahden kiinteän (oikealla) välisen kitkan havainnollistaminen atomitasolla. mukaillen 8

Kiinteille aineille on määritetty tiettyjä kitkakertoimia, joiden arvoja on tilastoitu kirjallisuuslähteisiin. Kitkakertoimen suuruutta voidaan kuitenkin säädellä voiteluaineiden avulla. Voiteluaineita on olemassa nestemäisiä ja kaasumaisia, mutta myös kiinteitä voiteluaineita (esimerkiksi kalvoja) käytetään.⁵

Voitelun tarkoituksena on vähentää kitkaa ja kulumista kahden pinnan välillä.⁹ Voiteluaineita, joita voidaan käyttää kitkan säätelyyn, on lukuisia. Alla olevassa taulukossa 1 on listattuna muutamia esimerkkejä mahdollisista voiteluaineista.¹⁰ Voiteluaine tulee valita käyttökohteelle sopivaksi – esimerkiksi kiinteä voiteluaine ei välttämättä ole sopiva mahdollisimman tehokkaan liukumisen saavuttamisessa.

Taulukko 1. Yleisesti käytettyjä voiteluaineita.¹⁰

Voiteluaine Esimerkkejä

Mineraaliöljy eri viskositeettien öljyt, esim. SAE 20W40 Synteettinen öljy eetterit, esterit (organofosfaatit)

Kasviöljy rapsiöljy

Rasva litiumpohjainen rasva

Kaasu ilma

Kiinteä grafiitti, kulta, hopea, MoS2 (molybdeenidisulfidi)

Voiteluaineilla saatava hyöty kitkakertoimeen voi olla hyvinkin suuri, kuten kuvasta 7 huomataan.¹¹ Kohdassa A nähdään rautalangan ja harmaan valuraudan lepokitkan kitkakertoimen arvot normaalivoiman funktiona ennen voitelua ja kohdassa B voitelun jälkeen.

Ero on huomattava, sillä kitkakertoimen arvo putoaa yli puoleen pienillä normaalivoiman arvoilla ja suurellakin normaalivoimalla kitkakertoimen arvo laskee merkittävästi. Tarkastelua kannattaa kuitenkin suunnata korkeammalle normaalivoiman arvoille, sillä pintoihin kohdistuu lähes aina jonkinlaista normaalivoimaa.

Kuva 7. Lepokitkakertoimen arvo muuttuu normaalivoiman funktiona. mukaillen 11

Kuvassa 7 olleen rautalangan ja harmaan valuraudan lepokitkan tutkimiseen käytettiin kuvan 8 mukaista laitteistoa, lepokitkatribometriä. Osat ovat kuvassa numeroituna. 1 on liikuteltava kehys alemmalle näytteelle (levy, jonka materiaalia vaihdeltiin, esimerkiksi harmaa valurauta), kohdassa 2 ovat jouset ylemmän näytteen (rautalanka) pidikkeelle, kohdassa 3 jouset liikuteltavalle kehykselle, kohdassa 4 painoja lastaussauvassa, kohdassa 5 paineilmatoimilaite, kohdassa 6 paineanturi ja kohdassa 7 voima-anturi. ¹¹

’

Kuva 8. Lepokitkatribometri.¹¹

Eräs tehokas tapa kontrolloida kitkaa on pintarakenteiden muokkaaminen ja niiden tutkimiseen voidaan hakea apua luonnosta. Pinnan muokkaaminen vastaamaan haluttua rakennetta parantaa voiteluaineiden vaikutusta ja mahdollistaa pienemmän viskositeetin voiteluaineiden käytön.¹² Käytännössä voiteluaine saadaan pysymään pinnalla paremmin, jolloin voiteluaineen ei tarvitse olla niin jäykkää ja näin saadaan parempi liukuminen aikaiseksi. Pintarakenteiden muokkaaminen ei välttämättä näy paljaalla silmällä. Tästä hyvä esimerkkimateriaali on mikrokuitu, jossa rakennetta on muokattu hyvin pienessä mittakaavassa. Tätä hyödynnetään esimerkiksi mikrokuituliinoissa. Kuvassa 9 on mikrokuitu elektronimikroskooppikuvassa.

Kuva 9. Mikrokuidun pintarakennetta on muokattu mikroskooppisen pienessä mittakaavassa. mukaillen 13

3. Kuluminen

Kuluminen määritellään materiaalin poistamisena tai pinnan vaurioitumisena, kun toinen tai molemmat pinnoista ovat liikkeessä toista kohtaan. Kuluminen mielletään kiinteiden aineiden ilmiöksi.⁵ Kulumisen säätely mahdollistaa esineiden ja koneiden pidemmän käyttöiän. Tässä kappaleessa perehdytään tarkemmin eri kulumismekanismeihin ja pinnan kulumiseen sekä kulumisen säätelyyn.

3.1. Kulumismekanismeja

Kulumiseksi ajatellaan pintaan kohdistuvaa vahinkoa, jonka yleensä aiheuttaa kitka.

Kulumismekanismeja on monia ja ne riippuvat sekä olosuhteista että käytettävistä aineista.

Kuitenkaan yleensä kulumista ei voida luokitella ainoastaan yhteen kategoriaan, sillä kuluminen on monen eri mekanismin summa.^14,15 Seuraavaksi esitetään yleisimpiä kitkan kannalta merkittäviä kulumismekanismeja.

Abrasiivinen kuluminen. Tässä yhteydessä voidaan myös puhua hankautumisen aiheuttamasta kulumisesta. Abrasiivisessa kulumisessa kovempi pinta kuluttaa pehmeämpää pintaa näiden kahden liukuessa. Pinta vahingoittuu murtuen tai siihen aiheutuu epämuodostumia. Kuvassa 10 on havainnollistettu abrasiivista kulumista.^5,15

Kuva 10. Kovempi materiaali liukuu pehmeämmän materiaalin päällä kuluttaen sitä.¹⁵

Adhesiivinen kuluminen. Adhesiivisessa kulumisessa kaksi pintaa liukuu toisiaan vasten, jolloin tapahtuu esimerkiksi metallisidosten muodostumista. Liukumisen jatkuessa metallisidokset repeävät, joka voi aiheuttaa aineen tarttumisen pehmeämmästä kovempaan.

Pintoja tarkastellessa liukumisen jälkeen huomataan kovemmassa aineessa jäämiä pehmeämmästä materiaalista.⁵ Adhesiivista kulumista kutsutaankin ”tartuntakulumiseksi”.¹⁵ Kuvassa 11 on teräksen pinta adhesiivisen kulumisen jälkeen. Kuvasta nähdään, kuinka pintarakenne on kulunut katkoviivalla ympyröidyistä kohdista.

Kuva 11. Adhesiivinen kuluminen aiheuttaa repeytymiä ja kulumista. Kuva on otettu pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, jonka mittausparametrit näkyvät kuvan alapuolella. mukaillen 5

Eroosio. Eroosiossa liikkeessä olevat kovat kappaleet tai hiukkaset törmäävät toisen kiinteän kappaleen pintaan, liukuvat siinä ja irtoavat. Liukumisen aikana törmäävät objektit kuluttavat pintaa ja aiheuttavat siihen esimerkiksi naarmuja ja kulumaa.¹⁴

Väsymiskuluminen. Puhutaan myös pitkän ajan rasituksen aiheuttamasta kulumisesta, jossa muodostuu usein halkeamia käytettävään materiaaliin. Tämän tyyppinen kuluminen voi tapahtua myös ilman pintojen varsinaista vuorovaikutusta.^14,15 Halkeamista usein lohkeaa sirpaleita, jotka voivat puolestaan aiheuttaa abrasiivista ja adhesiivista kulumista. Kuitenkaan lohkeavat palaset eivät ole tärkeässä osassa väsymiskulumisen tarkastelussa, sillä väsymiskulumisen aiheuttavien ilmiöiden säätely on tärkeämpää.¹⁴

3.2. Pinnan kuluminen ja kulumisen säätely

Pinnan rakenne vaikuttaa merkittävästi kulumiseen. Kuluminen on kytköksissä kitkaan erityisesti pinnan rakenteen kautta, sillä esimerkiksi karkealla pinnalla on suurempi kitka ja näin myös kuluminen on suurempaa. Pintarakenteen muokkauksen ohella kulumista voidaan säädellä liukuvan kappaleen massaa tai kuormaa säätämällä ja käyttämällä voiteluaineita, kuten todettiin luvussa 2.3..¹⁶

Kulumisen minimointi ei ole aina tarpeellista, vaikkakin yleensä kulumista yritetään vähentää.

Kuluminen on erityisen haitallista moottoreissa ja koneissa sekä esimerkiksi tekonivelissä.

Kulumiselle on kuitenkin kohteensa – hiominen tai kiillottaminen ei onnistuisi ilman kulumista

ja kitkaa.¹⁷ Tästä syystä käytettävät voiteluaineet tulee valita käyttökohteelle sopivaksi eikä aina voida tavoitella mahdollisimman pientä kitkaa.

Kulumisen säätely on haasteellista, sillä kulumisen laskeminen ei ole yksiselitteistä. Perinteinen lähestymistapa on ajatella, että kuluminen on suoraan verrannollinen normaalivoimaan ja liukumismatkaan ja kääntäen verrannollinen pehmeämmän materiaalin kovuuteen.

Tämäntyyppinen ajattelu pätee (kuten kaava 1) joissakin tilanteissa adhesiivisessa ja abrasiivisessa kulumisessa, mutta ei aina. Tämän ajattelun matemaattinen muoto tunnetaan Kruschovin tai Archardin lakina: ¹⁷

𝑄 = 𝑘 ×

𝜎₀

,

missä Q on kulumisen määrä, k on kulumiskerroin, FN on normaalivoima, s on liukumismatka ja σ0 on pehmeämmän materiaalin kovuus.

Kulumista voidaan luonnollisesti säädellä kaavan 3 parametrejä muuttamalla. Esimerkiksi liukumismatkan pienentyessä pienenee osoittajassa oleva luku, mikä puolestaan laskee kulumisen määrää. Kuvassa 12 on esitetty numeerisen tutkimuksen tuloksena laskettu kulumisen määrä liukumismatkan funktiona. Kuten huomataan, on riippuvuus lähes lineaarista.

Kuva 12. Kulumisen määrä liukumismatkan funktiona noudattaa lähes lineaarista riippuvuutta.mukaillen 17

4. Kitkailmiö lukion kemian opetuksessa

Lukion opetussuunnitelman perusteet 2019 (LOPS) muovaa opetukselle suunnan. Tässä osiossa tarkastellaan kemian osalta kitkailmiöön liittyviä opetusmoduuleita ja niihin liittyviä sisältöjä sekä tavoitteita. Luvussa 4.2. esitetään kitkailmiön opetukseen erilaisia ideoita erityisesti kemian kannalta.

4.1. Kitkailmiö ja lukion kemian opetussuunnitelman perusteet 2019

Lukion opetussuunnitelman perusteet 2019 (LOPS) määrittää oppiainekohtaisten tavoitteiden lisäksi laaja-alaisen osaamisen tavoitteet. Näistä tavoitteista mielekkäitä kitkailmiöön liittyen ovat monitieteinen ja luova osaaminen, eettisyys ja ympäristöosaaminen ja yhteiskunnallinen osaaminen.¹⁸

Kitkailmiön hyödyntäminen opetuksessa on monitieteinen aihe, sillä kitkaa ei voida perusteellisesti tutkia ainoastaan kemian tai fysiikan kautta ja siihen liittyy aina myös kuluminen. LOPS:ssa painotetaan laaja-alaisen osaamisen kohdalla asioiden uutta ja innovatiivista yhdistelyä.¹⁸ Kitkailmiö soveltuu tähän hyvin, sillä tätä ilmiötä voidaan tutkia oppitunneilla esimerkiksi avoimesti ohjeistetun laboratoriotyön avulla.

Ympäristöosaaminen kytkeytyy kitkailmiöön. Kulumismekanismeissa esiteltiin eroosiokuluminen, mikä on ympäristön kannalta merkittävä haitta. Kun tunnetaan kulumisen aiheuttavat tekijät, voidaan yrittää vähentää eroosiota. Täten kuluminen voidaan laajentaa maantieteen ja biologian oppitunneille.

Yhteiskunnallisessa osaamisessa LOPS korostaa kestävää tulevaisuutta ja osaamisen hyödyntämistä yhteiskunnan kannalta.¹⁸ Tästä esimerkkinä voidaan kitkaa tutkia taloudellisen näkökulman kautta. Kitkan määrän minimoiminen voi säästää niin rahaa kuin tekniikan käyttöikääkin, mikä edistää kestävää tulevaisuutta.

Kitkailmiöön liittyviä sisältöjä ja tavoitteita löytyy moduuleista KE2 (Kemia ja kestävä tulevaisuus), KE4 (Kemiallinen reaktio) sekä KE5 (Kemiallinen energia ja kiertotalous).¹⁸ KE2–moduulin tavoitteissa mainitaan kyky osata soveltaa aineen rakennetta ominaisuuksien vertailussa.¹⁸ Kitkan kannalta merkittäviä ovat pinnat ja niiden rakenteet, joten tähän moduuliin kitkan opetus voidaan kytkeä sujuvasti. Sisällöissä painotetaan ominaisuuksien tutkimista ja ominaisuuksien selittämistä rakenteen avulla.

KE4–moduulin kohdalla siirrytään pakollisista opinnoista valinnaisiin opintoihin, jolloin sisällöt myös syventyvät.¹⁸ Tavoitteeksi LOPS asettaa tälle moduulille reaktioiden moninaisuuden ja merkityksen elinympäristössämme, mikä toteutuu varsinkin adhesiivisessa kulumisessa reaktioiden myötä. Sisällöistä varsinkin polymeerien ominaisuudet ja elinkaari kytkeytyvät kulumiseen ja kitkaan. KE5–moduulissa tavoitteet rakentuvat kiertotalouden ja kierrätyksen ympärille ympäristö huomioiden.¹⁸

4.2. Tapoja lähestyä kitkailmiön opetusta

Kuten huomataan, kitkailmiötä tai kulumista ei varsinaisesti LOPS:ssa mainita. Kuitenkin moduuleissa käsiteltävät aiheet voivat hyötyä kitkailmiön käsittelemisestä niin teoreettisesti kuin kokeellisestikin. Tässä kappaleessa esitetään ideoita kitkailmiön kytkemiseksi lukion kemian opetukseen.

Kitkailmiö laboratoriossa. Kitkailmiön käsittely laboratoriotöissä on usein vähäistä lukiotason opinnoissa. Fysiikan tunneilla mekaniikan yhteydessä voidaan tehdä esimerkiksi liukukitkakertoimen määrityksiä. Kuitenkin kitkan tarkastelu tarjoaa lähtökohtia aineiden makro- ja mikrotason ilmiöiden erojen havainnollistamiselle.¹⁹ Lukiotason laboratoriotöissä mielekkäintä on tarkastella liikekitkaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä.

Aiheeseen voidaan lähestyä erilaisten kappaleiden ja pintojen tarkastelulla. Esimerkiksi voidaan esitellä opiskelijoille hiomapaperilla päällystettyjä kappaleita, sileitä kappaleita ja karkeampia pintoja. Esimerkkejä kappaleista ja pinnoista on kuvassa 13.¹⁹ Opiskelijoiden olisi hyvä tehdä etukäteisarvioita siitä, miten pintojen rakenteet vaikuttavat kitkan suuruuteen. Myös kitkan säätelemisen mahdollistavia keinoja tulisi tässä yhteydessä korostaa esimerkiksi johdattelevien kysymysten avulla, kuten ”mitä voisit tehdä kitkan suuruuden maksimoimiseksi?”.

Kuva 13. Esimerkkejä kappaleista ja pinnoista kitkailmiön tutkimiseen.¹⁹

Varsinaisia laboratoriotyömahdollisuuksia kitkailmiö tarjoaa runsaasti. Voidaan käyttää voima- antureita, vaakaa ja mittanauhaa kitkan suuruuden määrittämiseksi kaavan 1 mukaisesti. Kemia tähän saadaan kytkettyä eri pintarakenteita käyttämällä ja säätelemällä esimerkiksi voiteluaineiden käyttöä pintojen välillä sekä vertailemalla kitkan suuruutta. Myös tässä yhteydessä on syytä korostaa sitä, että mittaustulokset eivät välttämättä täysin vastaa esimerkiksi kaavojen näyttämää lineaarista riippuvuutta, mistä voidaan siirtyä luontevasti syvempään tarkasteluun.

Syvempi tarkastelu on hyvä suorittaa teoreettisen tarkastelun kautta, sillä esimerkiksi Stribeckin käyrän mukainen kitkan käyttäytyminen vaatii hyvin tarkkoja mittauksia, joita on haasteellista

kouluopetuksessa toteuttaa. Myös tässä yhteydessä on syytä korostaa sitä, että mittaustulokset eivät välttämättä täysin vastaa esimerkiksi kaavan 1 osoittamaa lineaarista riippuvuutta.

Kitkailmiön kokeellisuutta voidaan havainnollistaa myös viskositeetin kautta. Viskositeetti määritellään aineen kykynä vastustaa muutosta kuormituksen alla, mikä määritellään aineen osasten välisen kitkan avulla. Opiskelijat voivat itse valmistaa oman viskosimetrin ja määrittää jokapäiväisen elintarvikkeen, esimerkiksi suklaan tai hunajan, viskositeetin.²⁰

Viskosimetrin valmistukseen tarvitaan 60 ml ruisku, pullo (esimerkiksi shampoo-pullo, pidempi kuin ruisku), eristettä (esimerkiksi Styrox), alumiinifoliota, kaksi lämpömittaria, sakset, teippiä, dekantterilasi, vaaka, muovailuvahaa ja viivoitin. Aluksi mitataan ruiskun pään halkaisija ja poistetaan pullon kansi. Leikataan pullon pohja irti ja käännetään pullo ylösalaisin.

Asetetaan ruisku pullon sisälle siten, että ruiskun pää tulee pullon aukosta ulos. Muovailuvahan avulla tiivistetään ruiskun ja pullon välissä oleva tila sekä ruiskun pää. Seuraavaksi leikataan Styroxista kolme noin 30 cm x 30 cm x 5 cm kokoista palasta, joiden pitkät sivut asetetaan toisiaan vasten ja teipataan yhteen kolmionmuotoiseksi putkeksi. Asetetaan aikaisemmin valmistettu pullosta ja ruiskusta koostuva systeemi putken sisälle. Kääritään systeemi alumiinifolioon. Seuraavaksi leikataan Styroxista sopiva palanen systeemin yläpäähän ja tehdään siihen kaksi reikää lämpömittareille, joista toinen asetetaan ruiskuun ja toinen ruiskun sekä pullon seinän väliin. Systeemi asetetaan pystyyn siten, että ruiskun pää osoittaa suoraan alaspäin. Laitetaan dekantterilasi vaa’alle ja asetetaan dekantterilasi suoraan systeemin alle siten, että ruiskun pää osoittaa dekantterilasiin.²⁰

Varsinainen mittaus viskosimetrillä suoritetaan siten, että asetetaan systeemissä olevaan pulloon kuumaa vettä kuitenkaan täyttämättä ruiskua vedellä. Otetaan toinen 60 ml ruisku ja punnitaan sen massa, jonka jälkeen täytetään ruisku kuumalla tutkittavalla nesteellä. Punnitaan ruiskun massa uudestaan ja lasketaan nesteen massa. Massan ja tilavuuden avulla lasketaan nesteen tiheys. Tiheyden avulla saadaan laskettua nesteen tilavuuspaino. Siirretään neste systeemissä olevaan ruiskuun. Asetetaan kansi systeemin päälle ja odotetaan, että lämpömittareiden lämpötilat ovat samat. Tämän jälkeen poistetaan systeemissä olevan lruiskun päästä muovailuvaha ja käynnistetään sekuntikello. Nesteen annetaan valua dekantterilasiin, kunnes kaikki neste on valunut. Nesteen määrää voidaan tarkkailla dekantterilasin alla olevan vaa’an avulla. Kun kaikki neste on valunut dekantterilasiin, pysäytetään sekuntikello.

Viskositeetti saadaan laskettua Poiseuillen yhtälön avulla: ²⁰

𝜂 =

8×𝑉

,

missä η on viskositeetti, r on lääkeruiskun pään säde, γ on tilavuuspaino (tiheys ρ kerrottuna putoamiskiihtyvyydellä g), t on nesteen valuma-aika ja V on nesteen tilavuus.

Yleensä fysiikan ja kemian laboratoriotyöt mielletään hyvin eriäviksi. Kuitenkin fysiikan ja kemian yhdistäminen kokeellisissa töissä on myös oppimisen kannalta mielekästä, sillä näillä kahdella luonnontieteellä on paljon yhteistä. Useat suureet, esimerkiksi massa ja tilavuus, ovat molemmissa keskeisiä aiheita. Lisäksi molemmat keskittyvät suuresti energiateemaan.²¹ Tässä kitkailmiö tarjoaakin mahdollisuuden kytkeä nämä oppiaineet yhteen, sillä kitka vaikuttaa

olennaisesti energiaan. Tarvittava energian suuruus esimerkiksi kappaleiden liikuttamisessa on riippuvainen muiden vaikuttavien voimien ohella kitkan suuruudesta. Tätä tulisi korostaa kitkan opettamisen yhteydessä, ettei kitkailmiö jää opiskelijoille liian abstraktiksi ja vaikeaksi teemaksi.

Teoreettinen lähestymistapa. Tutkielman aikaisemmissa luvuissa huomattiin, että kitkan perinteinen esitysmuoto ei aina pidä paikkaansa. Tätä tulisi korostaa myös lukiotason kemian opetuksen yhteydessä, sillä kitkailmiön tarkastelu LOPS:ssa määriteltyjen raamien puitteissa on mielekästä. Aiheeseen voidaan lähestyä myös puhtaasti teorian kautta. Kitkailmiö kätkee sisäänsä paljon erilaisia ongelmia ja mahdollisuuksia kytkeä opetusta eri aiheisiin.²²

Opetusta olisi hyvä lähestyä aluksi esittelemällä kitkailmiö jokapäiväisenä luonnonilmiönä.

Esimerkkejä kitkan hyödyllisyydestä ja haitallisuudesta on hyvä käyttää. Kitkan merkitystä esimerkiksi liikkeen pysäyttämisessä tulee korostaa, sillä näin saadaan kitkailmiö kytkettyä arkielämän tilanteisiin. Oikeita mallinnuksia erilaisista pinnoista ja kitkan määrästä tulisi käyttää.²² Kemian kantaa saadaan voiteluaineiden kautta lisättyä ja voidaan tarkastella erilaisten voiteluaineiden valmistustapoja.

Ilmiölähtöisyys. Kemian opettaminen oikean elämän tilanteiden ja ongelmien kautta vaikuttaa opiskelijoiden motivaatioon ja innostumiseen positiivisesti. Ilmiölähtöisen opettamisen avulla saadaan korostettua kemian merkitystä jokaisen opiskelijan arkeen. Ilmiöiden tulee kuitenkin olla aitoja ja havaittavissa olevia, etteivät ne jää liian kaukaisiksi opiskelijoille.²³

Ympäristölähtöiset ongelmat antavat hyvän pohjan opetuksen tarkastelulle. Kun opetusta tarkastellaan oikeiden ongelmien kautta, saadaan opiskelijoiden kykyä tunnistaa väärää informaatiota parannettua. Kemian opetuksessa voidaan opettaa opiskelijoita tunnistamaan ympäristöongelmia ja tarjota keinoja tunnistamaan sen aiheuttavat tekijät.²³ Kitkailmiö ja kuluminen ovat läsnä ympäristöongelmissa, kuten esimerkiksi eroosiokulumisessa. Kuvassa 14 havainnollistetaan ilmiölähtöisen aiheen oppitunnin esimerkkirakennetta. Aiheeksi voidaan valita mikä tahansa käsiteltävään ilmiöön liittyvä teema.

Kuva 14. Esimerkki ilmiölähtöisen aiheen tarkastelusta. mukaillen 23

Taloudellinen näkökulma. Kitkailmiöön ja kulumiseen liittyy vahvasti erilaiset tekniikan laitteet. Tätä aihetta voidaan lähestyä myös täysin taloudelliselta kannalta, eli tutustutaan kitkan säätelyn mahdollistamaan taloudelliseen hyötyyn. Toisaalta saavutettu taloudellinen hyöty korreloi myös ympäristöhyötyjen kanssa, sillä taloudellinen menetys johtuu yleensä liiallisesta energian käytöstä.²⁴

Korkea kitkan määrä aiheuttaa paljon kulumista ja kuluminen puolestaan aiheuttaa laitteiden rikkoutumista teollisuudessa. Teollisuudessa laitteiden korjaaminen tai vaihtaminen uuteen on aina kallista, mutta myös rikkoutumisten aiheuttamat työnseisaukset aiheuttavat rahanmenetystä yritykselle. Myös turvallisuusriskit kasvavat koneiden kuluessa.²⁴ Tässä yhteydessä opetusta voisi keskittää pintojen tarkastelulle ja miettiä sitä, miten optimaalinen pintarakenne voidaan saavuttaa tietyssä käyttökohteessa voiteluaineita unohtamatta.

Taulukko 2. Laitteiden häiriöajat esitettynä minuutteina vuosilukua kohden.²⁵

Taulukossa 2 on kolmen eri laitteen häiriöajat minuutteina tiettynä vuonna ennen voiteluaineiden optimointia (vuodet 2009–2010) ja voiteluaineiden optimoinnin jälkeen (vuodet 2011–2014). Taulukosta huomataan, että voiteluaineiden vaikutus laitteiden häiriöaikaan on merkittävää. Voiteluaineita voidaan optimoida esimerkiksi vaihtamalla ne riittävän usein ennen laitteen rikkoutumista ja käyttää diagnostiikkaa voiteluaineiden hallitsemisen apuvälineenä.²⁵

Vuosi Laite 1 Laite 2 Laite 3 Yhteensä (min)

2009 1997 2976 2537 7505

2010 3825 3164 2993 9982

2011 2017 2203 2105 6325

2012 987 1120 1074 3181

2013 425 593 587 1605

2014 152 247 253 652

5. Johtopäätökset

Tarkastellessa kitkaa ja kulumista havaittiin, että kitkan perinteinen kaavan 1 mukainen esitysmuoto vaatii joissakin tilanteissa tarkempaa selitystä. Kitkailmiö ei aina noudata lineaarista riippuvuutta ja muuttuvan nopeuden tilanteessa kitka jää muistiin, jolloin puhutaan kitkamuistista. Kulumisen kohdalla esiteltiin yleisimmät kulumismekanismit ja tarkasteltiin myös keinoja vaikuttaa kulumiseen.

Kitkailmiön käyttö lukion kemian opetuksessa on hyvin vähäistä, sillä kitka mielletään yleensä fysiikan ilmiöksi. Kitkailmiön tutkiminen kemian kannalta myös lukiotasolla on mielekästä sen monipuolisuuden vuoksi. Kemia tarjoaa keinoja säädellä kitkaa ja sen aiheuttamaa lieveilmiötä kulumista. Kuluminen on toisinaan myös tavoiteltu asia, mutta lähtökohtaisesti pyritään vähentämään kulumista.

Tutkielmassa tutustuttiin aluksi siihen, kuinka kitkan määrittely ei olekaan niin suoraviivaista, kuten se yleensä opinnoissa esitetään. Tutkielmassa on tarkoituksella esitelty lukiotasolla esitettäviä aiheita yksityiskohtaisemmin kitkan ja kulumisen taustat. Näitä ilmiöitä käsitellessä olisi kuitenkin syytä tuoda opiskelijoiden tietoisuuteen ilmiöiden oikea luonne yleistyksien ohelle.

Kitkailmiön opetusta miettiessä LOPS:n kautta huomataan, että varsinaisesti kemian kannalta suoraan kitkaa ei LOPS mainitse. Kuitenkin tavoitteista ja sisällöistä on kitkailmiöön kytkettäviä teemoja, joten kitkailmiön hyödyntäminen opetuksessa on tarkoituksenmukaista.

Opetukseen kitkailmiön kytkeminen on mahdollista useamman keinon kautta. Kitkailmiö on kulumisen kanssa läsnä niin monessa asiassa, että sen käsittely voidaan ottaa monelta eri kannalta huomioon myös kemian opetuksessa.

6. Kiitokset

Kiitos tutkielman ohjauksesta ohjaajilleni prof. Mika Suvannolle, dos. Leila Alvilalle ja dos.

Kari Sormuselle. Kiitos erityisesti nopeista vastauksista viesteihini ja innostavista vinkeistä tutkielmani aiheisiin liittyen.

Kiitos työnantajalleni ja erityisesti esimiehelleni työvuorojen joustavasti sovittamisesta tutkielman teon ja opiskelujen aikatauluun.

7. Viitteet

(1) Hsu, S.; Ying, C.; Zhao, F. The Nature of Friction: A Critical Assessment. Friction.

2014, 2 (1), 1–26.

(2) Harrison, J. A.; Gao, G.; Schall, J. D.; Knippenberg, M. T.; Mikulski, P. T. Friction between Solids. Philos. T. R. Soc. A. 2008, 366 (1869), 1469–1495.

(3) Dai, L.; Sorkin, V.; Zhang, Y. W. Effect of Surface Chemistry on the Mechanisms and Governing Laws of Friction and Wear. ACS. Appl. Mater. Inter. 2016, 8 (13), 8765–

8772.

(4) Al-Bender, F.; de Moerlooze, K. Characterization and Modeling of Friction and Wear:

An Overview. Sustainable Construction and Design. 2011, 2 (1), 19–28.

(5) Jeyaprakash, N.; Yang, C.-H. Friction, Lubrication, and Wear. 2020, 1–17.

(6) Khonsari, M. M.; Booser, E. R.. Recent Developments in Wear Prevention, Friction, and Lubrication. Toim. Nikas, G. K.: Research Signpost. 2010, 263-278.

(7) Maru, M. M.; Tanaka, D. K. Consideration of Stribeck Diagram Parameters in the Investigation on Consideration of Stribeck Diagram Parameters in the Investigation on Wear and Friction Behavior in Lubricated Sliding. J. of the Braz. Soc. of Mech. Sci. &

Eng. 2007, XXIX, 55–62.

(8) Krim, J. Surface Science and the Atomic-Scale Origins of Friction: What Once Was Old Is New Again. Surf. Sci. 2002, 500 (1–3), 741–758.

(9) Gellman, A. J.; Spencer, N. D. Surface Chemistry in Tribology. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. 2002, 216 (6), 443–461.

(10) Bhattacharjee, B.; Chakraborti, P.; Choudhuri, K. Selection of Suitable Lubricant for Sliding Contact Bearing and the Effect of Different Lubricants on Bearing Performance:

A Review and Recommendations. Tribologia. 2020, 37 (3–4), 13–25.

(11) Andersson, P.; Kilpi, L.; Holmberg, K.; Vaajoki, A.; Oksanen. Static Friction Measurements on Steel Against Uncoated and Coated Cast Iron. Tribologia. 2016, 34 (1–2), 5–40.

(12) Abdel-Aal, H. A. On Surface Structure and Friction Regulation in Reptilian Limbless Locomotion. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2013, 22, 115–135.

(13) Bast, F. Can a modest microfibre cloth help us to fight novel Coronavirus? S. R. 2020, 30–31.

(14) Zmitrowicz, A. Wear Patterns and Laws of Wear – a Review. J. Theor. Appl. Mech.

2006, 44, 219–253.

(15) Parikka, R; Lehtonen, J. Kulumismekanismit ja niiden merkitys vierintälaakereiden eliniälle. VTT. 2000, 1-26.

(16) Al-Samarai, R. A.; Rafezi Ahmad, K.; Al-Douri, Y. The Influence of Roughness on the Wear and Friction Coefficient under Dry and Lubricated Sliding. Int. J. Eng. Res. 2012, 3 (4), 1–6.

(17) Popov, V. L.; Pohrt, R. Adhesive Wear and Particle Emission: Numerical Approach Based on Asperity-Free Formulation of Rabinowicz Criterion. Friction. 2018, 6 (3), 260–273.

(18) Opetushallitus. Lukion Opetussuunnitelman Perusteet 2019. 2019, 60–65, 258–266.

(19) Montalbano, V. An Inquiry-Based Laboratory on Friction. ICPE-EPEC 2013 Proceedings. 2013, 1–8.

(20) Achilleos, C.; Friligkos, S. Melts in Your Viscometer, Not in Your Hand. Science in School. 2016, 37, 40–45.

(21) Toomey, R.; Garafalo, F. Linking Physics with Chemistry - Opportunities in a Constructivist Classroom. Chem. Educ. Res. 2003, 4 (2), 189–204.

(22) Besson, U.; Borghi, L.; de Ambrosis, A.; Mascheretti, P. How to Teach Friction:

Experiments and Models. Am. J. Phys. 2007, 75 (12), 1106–1113.

(23) Mandler, D.; Mamlok-Naaman, R.; Blonder, R.; Yayon, M.; Hofstein, A. High-School Chemistry Teaching through Environmentally Oriented Curricula. Chem. Educ. Res.

2012, 13 (2), 80–92.

(24) Holmberg, K. Friction Science Saves Energy. Tribologia. 2009, 28, 16–25.

(25) Balog, M.; Mindas, M.; Knapcikova, L. Productivity Fluid Management as a Tool for Saving Money. TEM Journal. 2016, 5 (2), 192–196.