1. 9.2 แรงเสียดทานหรือความฝืด
แรงเสียดทาน
แรงเสียดทานหรือความฝืด คือ แรงซึ่งต่อต้านการเครื่องที่ของผิวหน้าหนึ่งบนอีกผิวหน้าหนึ่งในเครื่องจักรกล
พลังงานที่ต้องเสียไปเพื่อเอาชนะความฝืดทาให้ประสิทธิภาพของเครื่องจักรต่าลง และพลังงานที่สูญเสียไปอยู่ในรูปของ
ความร้อนที่อาจจะเป็นอันตรายและผลเสียต่อเครื่องจักรได้ แรงเสียดทานเกิดจากความขรุขระของผิวหน้าที่มาสัมผัสกันและ
การหลอมตัวติดกันเป็นจุด ๆ ผิวหน้าของโลหะที่แม้จะได้รับการขัดมันมาอย่างดีเมื่อนามาส่องดูด้วยกล้องขยายกาลังสูงจะ
เห็นว่าประกอบไปด้วยยอดแหลมและหลุมลึกอีกมากมาย ดังนั้นเมื่อผิวหน้าหนึ่งถูกนามาสัมผัสกับอีกผิวหน้าหนึ่ง บริเวณที่
สัมผัสกันจริง ๆ นั้นจึงเป็นจุดเล็ก ๆ ที่ยอดแหลมไปแตะกับผิวตรงข้าม จุดที่เล็กมาก ๆ เหล่านี้ต้องรับน้าหนักที่กด
หน้าสัมผัสทั้ง 2 เข้าด้วยกัน และแรงกดที่สูงมากนี้ก็ทาให้จุดสัมผัสเหล่านั้นหลอมติดกันได้ แรงเสียดทานของการเสียดสี
ระหว่างผิวหน้าเช่นนี้จึงเป็นแรงที่ต้องใช้ในการหักและฉีกจุดเชื่อมติดให้ขาดจากกัน นอกจากนั้นแล้วในขณะที่กาลัง
เคลื่อนที่ ยอดสูง ๆ ก็ยังสามารถกีดขวางซึ่งกันและกัน เช่น ชนกันแตกหัก หรือต้องครูดไถไปบนอีกผิวหน้าหนึ่งที่แข็งน้อย
กว่าด้วยแรงเสียดทานจึงขึ้นอยู่กับน้าหนักหรือโหลดซึ่งกาหนดพื้นที่รวมที่หลอมติดกัน และชนิดของสารที่เป็นหน้าสัมผัสว่า
มีความแข็งเพียงใด ยากต่อการฉีกหักหรือครูดไถเพียงใด
การหล่อลื่น
วิธีการของน้ามันหล่อลื่นในการลดแรงเสียดทานก็คือการพยายามป้ องกันและลดการสัมผัสของยอดแหลม
ระหว่างหน้าสัมผัสให้เหลือน้อยที่สุด โดยเข้าไปแทรกอยู่ระหว่างผิวหน้าทั้งสองนั้น การหล่อลื่นสามารถแบ่งได้เป็น 3
ลักษณะใหญ่ ๆ คือ
1. Hydrodynamic Lubrication
2. Boundary Lubrication
3. Elasto-Hydrodynamic Lubrication
Hydrodynamic Lubrication หมายถึงลักษณะของการหล่อลื่นที่มีฟิล์มน้ามันไหลอยู่ระหว่างหน้าสัมผัส และแยก
หน้าสัมผัสคู่นั้นออกจากกันโดยเด็ดขาด
เพื่อที่จะเข้าใจการทางานของน้ามันหล่อลื่นนั้นจาเป็นต้องทราบถึงคุณสมบัติของของเหลวอย่างหนึ่ง คือ
Viscosity หรือความหนืด ความหนืด หมายถึง ความต้านทานต่อการไหลของของเหลวที่เกิดขึ้นจากแรงเสียดทานระหว่าง
โมเลกุลของของเหลวเองในขณะที่ของเหลวนั้นเคลื่อนตัว ความหนืดนี้จะลดลงเมื่ออุณหภูมิของของเหลวสูงขึ้น
เมื่อแท่งวัตถุชิ้นหนึ่งที่มีขนาดพอเหมาะเริ่มเคลื่อนที่ไปบนที่ราบ ส่วนหน้าของแท่งวัตถุจะพบกับน้ามัน และ
เพราะว่าน้ามันมีความหนืดที่ต้านทานการไหล แท่งวัตถุก็จะไม่สามารถผลักน้ามันไปได้หมด แต่ชั้นน้ามันบาง ๆ จะยังคงอยู่
บนพื้นใต้แท่งนี้ทาให้แท่งนี้ยกตัวจากพื้นได้บ้าง เมื่อแท่งนี้เคลื่อนที่เร็วขึ้นน้ามันก็จะเข้าไปข้างใต้ได้มากขึ้นอีก ยกให้แท่ง
สูงขึ้นจนกระทั่งสมดุลย์ คือน้ามันที่ไหลเข้าไปใต้แท่งนี้เท่ากับน้ามันที่ไหลออกมา และแท่งก็จะไม่ลอยตัวสูงขึ้นไปอีก
ฟิล์มน้ามันภายใต้แท่งวัตถุนี้ต้องรับแรงกด คือ น้าหนักของแท่งวัตถุที่ยกขึ้น ฟิล์มน้ามันนี้จะยังคงอยู่ได้ก็ต่อเมื่อแท่งวัตถุ
เคลื่อนที่ไปตลอดเวลา และนี่คือการทางานของ Hydrodynamic Lubrication

2. ในการหล่อลื่น Journal Bearing ก็เช่นกัน เมื่อหยุดนิ่งเพลาจะนอนอยู่ที่ก้นแบริ่งและสัมผัสกับแบริ่งขณะที่
เพลาเริ่มหมุน น้ามันจะถูกลากพาเข้าไปใต้เพลาและหน้าสัมผัสเริ่มแยกออกจากกัน จนกระทั่งเมื่อเพลาหมุนเร็วขึ้นก็จะลอย
สูงขึ้นจนกระทั่งสมดุลย์ คือ ฟิล์มน้ามันสามารถยกเพลาขึ้นได้ทั้งหมด
ฟิล์มน้ามันประกอบไปด้วยชั้นของโมเลกุลน้ามันซ้อน ๆ กัน และเคลื่อนที่ไปทางเดียวกัน แต่ละชั้นก็มี
ความเร็วไม่เท่ากัน ชั้นที่ติดอยู่กับหน้าสัมผัสที่อยู่นิ่งก็ไม่เคลื่อนที่ และชั้นบนสุดที่ติดกับผิวหน้าที่เคลื่อนที่ก็จะเคลื่อนที่เร็ว
ที่สุด ส่วนชั้นกลาง ๆ ก็จะเคลื่อนที่เร็วขึ้นถ้าอยู่ใกล้กับชั้นบนสุดมากขึ้น การที่ชั้นโมเลกุลของน้ามันต้องไถลไปบนชั้นอื่น ๆ
ที่มีความเร็วไม่เท่ากันจึงเกิดเป็นแรงต้านการเคลื่อนที่ แรงเสียดทานอันเกิดจากผิวหน้าไถลไปแห้ง ๆ บนอีกผิวหน้าหนึ่งก็
หายไป แต่มีแรงต้านจากการเฉือนฟิล์มน้ามันนี้มาแทน ซึ่งจะน้อยกว่าแรงเสียดทานแห้งมากมายหลายเท่าตัวนัก
ปัจจัยในการเกิดการหล่อลื่นแบบ Hydrodynamic Lubrication จึงประกอบไปด้วย
1. ผิวหน้าทั้งสองต้องมีช่องว่างที่จะให้น้ามันเคลื่อนที่เข้าไปได้
2. ผิวหน้าทั้งสองต้องมีการเคลื่อนที่เร็วเพียงพอที่ลากน้ามันเข้าไปได้ในปริมาณที่มากพอ
3. ปริมาณน้ามันต้องมีเพียงพอที่จะอยู่เต็มช่องว่าง และเข้ามาแทนที่ส่วนที่ไหลออกไป
4. น้ามันต้องมีความหนืดสูงพอที่สร้างฟิล์มน้ามันขนาดหนา ๆ ได้
สิ่งที่ควรทราบอีกประการหนึ่ง คือ พลังงานที่ต้องใช้ในการเฉือนฟิล์มน้ามันถึงแม้จะน้อยก็จะเกิดเป็นความ
ร้อนทาให้อุณหภูมิของน้ามันสูงขึ้น และส่งผลให้น้ามันมีความหนืดลดลงดังที่ได้กล่าวมาแล้ว และอาจมีผลกระทบต่อสภาพ
การหล่อลื่นอย่างสมบูรณ์ได้
Boundary Lubricatoin คือการหล่อลื่นที่ฟิล์มน้ามันไม่สามารถจะเกิดขึ้นและแยกหน้าสัมผัสออกจากกันได้
เด็ดขาด และการสัมผัสกันระหว่างยอดแหลมของ 2 ผิวหน้าเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ เป็นผลจากการที่ปัจจัยต่าง ๆ ของการ
เกิด Hydrodynamic Lubrication มีไม่ครบถ้วน เช่น บางครั้งความเร็วของหน้าสัมผัสต่าเกินไป หรือแรงกดสูงมาก
จนกระทั่งน้ามันที่มีความหนืดสูงก็ยังไม่สามารถ แยกและป้ องกันการสัมผัสของผิวหน้าทั้งคู่ได้ หรือมีการเคลื่อนที่ที่มีการ
หยุดและไปบ่อย ๆ และกลับทิศทางการเคลื่อนที่ไปมาทาให้ฟิล์มน้ามันสลายตัว
แรงเสียดทานเมื่อมีการหล่อลื่นแบบ Boundary Lub. จึงถูกกาหนดจากทั้งลักษณะของหน้าสัมผัสและลักษณะ
ของน้ามันหล่อลื่นนอกเหนือจากความหนืดของน้ามันแต่เพียงอย่างเดียว แรงเสียดทานนี้จะสูงกว่าการหล่อลื่นชนิด
Hydrodynamic
ความรุนแรงของสภาวะที่ต้องการการหล่อลื่น Boundary Lub. มีระดับต่าง ๆ กัน และคุณสมบัติของ
น้ามันหล่อลื่นที่จะต้องรับภาระต่าง ๆ กันนี้ก็ต่างกันไปตามชนิดและความสามารถของสารเพิ่มคุณภาพในน้ามัน ในภาวะที่
โหลดไม่สูงมากนักสารเพิ่มคุณภาพจาพวกไขก็สามารถใช้ได้ โดยที่จะเข้าจับติดผิวโลหะได้ดีเมื่อถูกครูดไถก็ยังป้ องกันไม่ให้
ผิวหน้าโลหะทั้งสองสัมผัสกัน แต่เมื่อโหลดสูงมากขึ้นและอุณหภูมิที่ผิวหน้าสัมผัสสูงขึ้น สารจาพวกไขที่ไม่แข็งแรงพอ
และก็เสื่อมประสิทธิภาพการจับติดกับโลหะ จึงมีความต้องการสารเพิ่มคุณภาพประเภทที่จะเข้าทาปฏิกิริยาเคมีกับผิวโลหะ
ณ จุดที่รับโหลดสูง ๆ นั้น เปลี่ยนเนื้อโลหะเป็นสารประกอบใหม่ที่นุ่มกว่าเดิมเคลือบอยู่บาง ๆ เป็นผลทาให้ผิวหน้าทั้งสอง
ไถลเสียดสีผ่านกันไปได้โดยมีแรงเสียดทานน้อยลง สารเพิ่มคุณภาพประเภทนี้ได้แก่ สารลดการสึกหรอและสารรับแรงกด
สูง
Elasto- Hydrodynamic Lubrication การหล่อลื่นแบบ EHD หมายถึงการที่ผิวหน้าสัมผัสยุบตัวชั่วคราว
เนื่องจากต้องรับแรงกดและน้าหนักสูงมากเป็นพิเศษบนพื้นที่เล็ก ๆ การยุบตัวทาให้พื้นที่ที่รับน้าหนักขยายตัวมากขึ้น บวก

3. กับความหนืดของน้ามันหล่อลื่นในเวลาเดียวกันก็เพิ่มขึ้นมากเพราะอยู่ภายใต้ความกดดันสูง ทาให้ความสามารถในการรับ
น้าหนักของน้ามันสูงขึ้นในพื้นที่ที่ยุบตัวลงนั้นเกิดเป็นฟิล์มน้ามันที่สมบูรณ์สามารถแยกหน้าสัมผัสออกจากกันได้โดย
เด็ดขาด
การหล่อลื่นแบบ EHD นี้พบได้ในการหล่อลื่นของลูกปืนและเกียร์ ซึ่งมักจะมีผิวหน้าโค้งทาให้พื้นที่ที่ต้องรับ
น้าหนักมีขนาดเล็ก ๆ เท่านั้น ด้วยแรงกดและพื้นที่เท่านี้ฟิล์มน้ามันไม่น่าจะรับน้าหนักได้ แต่ปรากฏว่าผิวหน้าเกิดยุบตัว
ขยายพื้นที่รับน้าหนักและเพิ่มความหนืดน้ามันหล่อลื่นได้
การสึกหรอ (Wear)
การสึกหรอ หมายถึง การต้องสูญเสียเนื้อสารจานวนหนึ่งออกไปจากชิ้นวัตถุโดยไม่ปรารถนา สาเหตุของการ
สึกหรอมีหลายประการ และมักจะเกิดจากหลายสาเหตุพร้อม ๆ กัน การสึกหรอสามารถแบ่งได้ตามสาเหตุเป็น 4 ประเภท
ใหญ่ ๆ คือ
- การสึกหรอแบบ Adhesive เกิดจากการที่ผิวโลหะมาเสียดสีกัน และยอดแหลมที่แหลมติดกันถูกกระแทก
ให้แตกหักอันเป็นขบวนการเกิดแรงเสียดทานนั่นเอง น้ามันหล่อลื่นป้ องกันและลดการสึกหรอประเภทนี้โดยการทาหน้าที่
ลดการสัมผัสกันระหว่างผิวสัมผัสได้ อันเป็นการลดแรงเสียดทานไปในตัว การสึกหรอประเภทนี้มักเกิดจากการหยุดและไป
ของผิวหน้าสัมผัสก่อนที่ฟิล์มน้ามันจะเกิดขึ้น หรือความล้มเหลวอื่น ๆ ของฟิล์มน้ามันที่จะแยกหน้าสัมผัสออก
- การสึกหรอแบบ Abrasive เกิดจากการที่มีชิ้นส่วนของแข็งขนาดเล็กหลุดเขาไปในบริเวณผิวสัมผัส และ
ครูดไถไปบนผิวหน้าที่อาจจะอ่อนกว่าชิ้นส่วนของแข็งนี้อาจจะเป็นชิ้นส่วนแปลกปลอมมาจากภายนอก หรือเศษที่แตกหัก
มาจากการสึกหรอนั่นเอง ดังนั้นปัจจัยในการสึกหรอแบบ Abrasive คือ อนุภาคของแข็งที่มีขนาดใหญ่กว่าความหนาของ
ฟิล์มน้ามันและมีความแข็งกว่าผิวหน้าสัมผัส น้ามันหล่อลื่นสามารถทาหน้าที่ชะล้างหรือพัดพาเอาอนุภาคของแข็งที่เป็น
อันตรายต่อผิวหน้านี้ไปได้เป็นการลดการสึกหรอโดยที่อุปกรณ์ของระบบหล่อลื่น เช่น ชีลและไส้กรอง มีส่วนสาคัญกับ
หน้าที่นี้มาก
- การสึกกร่อน (Corrosive) หมายถึง การที่เนื้อสารถูกสารอื่นเข้ากัดกร่อนทาปฏิกิริยาเคมี เช่น จากใน
บรรยากาศทั่ว ๆ ไป จากสารที่เกิดจากน้ามันหล่อลื่นที่เสื่อมสภาพกลายเป็นกรด หรือจากไอกรดกามะถันจากน้ามันเชื้อเพลิง
ที่ใช้เผาไหม้และอื่น ๆ น้ามันหล่อลื่นช่วยลดการสึกกร่อนได้ 2 วิธี คือ การทาตัวเป็นฟิล์มเคลือบผิวหน้าป้ องกันไม่ให้
เกิดปฏิกิริยากับอ๊อคซิเจน และการที่น้ามันหล่อลื่นมีสารเคมีที่หยุดยั้งหรือชิงเข้าทาปฏิกิริยากับสารที่เป็นอันตรายนั้นเสียก่อน
- Fatique Wear เกิดจากความเสียหายภายใต้ผิวหน้าอันเป็นผลมาจากการที่ผิวหน้าถูกแรงกระทาซ้า ๆ กันเป็น
เวลานาน และเกิดจากการล้าของเนื้อสารนั้น อาการที่พบได้นั้นมักจะเป็นรู หรือการแตกที่เกิดโดยฉับพลัน ไม่สามารถ
คาดการณ์ได้ สาหรับการสึกหรอประเภทนี้ยังไม่สามารถชี้ชัดถึงความสามารถของน้ามันหล่อลื่นว่ามีส่วนช่วยลดหรือ
ป้ องกันได้ประการใด
หลักการของน้ามันหล่อลื่นในการลดแรงเสียดทานและการสึกหรอจะเป็นความรู้เบื้องต้นในการออกแบบ การ
เลือกใช้ และความสามารถในการใช้งานจริงของน้ามันหล่อลื่น โดยที่ควรตระหนักว่าน้ามันหล่อลื่นยังมีหน้าที่อื่น ๆ อีก
และบางครั้งอาจจะสาคัญไม่ยิ่งหย่อนกว่าหน้าที่หลัก 2 ประการนี้ก็ได้ เช่น ในงานตัดโลหะ การระบายความร้อนอาจเป็น
หน้าที่ที่สาคัญที่สุด