Світ фізичного тертя
Франциска Коніцер 19 травня 2014 року
Поки сили тертя не можна точно розрахувати або передбачити. Франц Гіссібл з Університету Регенсбурга пояснив у нашому подкасті, як вчені зараз досліджують це явище на найменших масштабах, що тертя означає для нашого повсякденного життя і чому без нього нічого не працює. Статтю ви можете прочитати тут.
Тертя визначається як опір, який виникає при контакті двох тіл. Те, що спочатку може здатися дещо абстрактним, є повсюдним у нашому повсякденному житті - тертя вже відіграє важливу роль, коли ми встаємо щоранку:
Франц Гіссібл: «Припустимо, ви намагаєтеся встати з ліжка. Без тертя ви негайно впадете на ванну, оскільки тертя дає вам поперечні сили, коли ви кладете ногу на підлогу. Без тертя вам завжди доведеться тримати центр ваги точно над своєю стоячою поверхнею. Це означає: без тертя ви далеко не зайдете ".
Франц Гіссібл з Регенсбургського університету
Якщо два тіла котяться, прилипають або ковзають одне про одне, виникає тертя - це, в свою чергу, генерує тепло. Тож наші предки натирали дерев’яні палиці, щоб розпалити вогонь. Однак: тепло, яке утворюється тертям, коштує енергії, яка втрачається невикористаною. Тому тертя у багатьох випадках є досить прикрим явищем.
«Тертя - це неприємність у більшості машин, оскільки воно спричинює втрати енергії та перетворює механічну енергію в тепло. Це небажано, оскільки ця енергія втрачається, і вам також доведеться більше охолоджувати ".
Леонардо да Вінчі вже займався законами тертя. Однак своїх результатів він так і не опублікував. Ось чому класичні закони тертя названі на честь французького вченого Гійома Амонтонса, який представив їх спочатку скептично налаштованій публіці в 1699 році. Закони Амонтона стверджують, що сила тертя прямо пропорційна контактному тиску двох поверхонь; і що сила тертя не залежить від розміру поверхні тертя. Залежно від того, як два тіла рухаються одне біля одного, вчені диференціювали різні типи тертя: тертя кочення між автомобільними шинами та дорогою, наприклад, або статичне та тертя ковзання. Як правило, тертя ковзання легше подолати, ніж статичне тертя.
Кабінет стрибає в повітрі
«Це тому, що поверхневі компоненти вібрують, коли одне тіло ковзає по іншому. Прикладом може бути важка шафа: якщо ви змусите її вібрувати, тертя мінімізується. Ви можете собі уявити, що шафа робить невеликі стрибки в повітрі. У той момент, коли кабінет знаходиться в повітрі, контакт із підлогою порушується, і його легше пересувати ".
Але що насправді відбувається на атомному рівні, коли ви гальмуєте, зводите стілець з розуму або запалюєте сірник? Франц Гіссібл використав складний метод вимірювання тертя між двома окремими атомами.
Вимірювання тертя атомно-силовим мікроскопом
«У нас було два партнери по тертю. Одним з партнерів був поверхневий атом поверхні кремнію. Іншим партнером був атом вістря з так званого атомно-силового мікроскопа, який може вимірювати силу паралельно поверхні, а не перпендикулярно. І тоді ми виявили, що - якщо ми даємо цьому наконечнику вібрувати вбік над атомом кремнію на поверхні і амплітуда перевищує певне значення - цей поверхневий атом збуджується вібрувати, як гітарна струна ".
Коли два тіла контактують, окремі атоми в точках контакту відхиляються від положення спокою: вони взаємодіють з атомами іншого тіла і навіть можуть короткочасно утворювати хімічні зв’язки.
“Вони виведені з положення відпочинку, як гітарні струни. Якщо зірвати гітарну струну і відпустити, вона знову повертається назад. Однак це коливання настільки швидке, що його вже неможливо зрозуміти оком. Подібно до атомів. Атоми торкаються до контактних поверхонь і відхиляються від своїх положень спокою. Вони повертаються у своє старе положення спокою - і це з частотою терагерц, тобто з 10 12 до 10 15 коливань в секунду ".
Мільярди за мільярдами атомів вібрують
Для порівняння: в електромагнітному спектрі саме інфрачервоне випромінювання коливається в цьому діапазоні частот.
«Цей рух тоді просторово впорядковується і поширюється у твердому тілі повільним потоком. Це називається тепловим потоком, хоча насправді нічого не тече - насправді вібраційні атоми стимулюють вібрацію своїх сусідів. Однак рух повністю невпорядкований. Мільярди та мільярди атомів вібрують у всіх можливих напрямках, а це означає, що енергія не втрачена. Але спрямований рух став невпорядкованим рухом з багатьма учасниками. Це тертя, яке спричиняє перетворення механічної енергії в теплову ".
Тертя між окремими атомами
Теплова енергія заснована на невпорядкованому русі багатьох атомів - матеріал або тіло тепліше, чим швидше в ньому рухаються атоми. Подальшим кроком Гіссібл та його колеги дослідили, який вплив має структура атомної поверхні на тертя. Її цікавило, чи сила ефектів тертя залежить від напрямку. У макроскопічному світі нашого повсякденного життя це навряд чи може зіграти свою роль - неважливо, в якому напрямку ви посунете крісло по підлозі - але на атомному рівні точно є різниця.
“Ми дослідили ще одну поверхню кремнію. Однак ця поверхня була орієнтована в іншому напрямку - її, так би мовити, вирізали в іншому напрямку кристалів. У цьому випадку поверхневі атоми розташовуються попарно, подібно до коня-гойдалки: два атоми з’єднуються, і кожен з цих атомів має дві ніжки вниз. І дуже схожий на коника-гойдалку, якого я легко відхиляю вздовж, але дуже важкий у поперечному напрямку, він подібний із цими поверхневими атомами ".
У порядку величини атомів, тобто в масштабі на мільярдні частки метра, тертя, отже, залежить від напрямку, в якому ви штовхаєте. Ця так звана анізотропія або залежність від напрямку є ще однією частиною загадки у спробі зрозуміти явище тертя. Оскільки навіть століття після того, як Амонтон представив свої закони, все одно неможливо розрахувати силу тертя між двома тілами. Ви все ще можете лише приблизно виміряти його.
Наконечник мікроскопа вимірює тертя
«Закони тертя неймовірно погано визначені, особливо коли ми порівнюємо їх із точністю, якої ми досягаємо у фізиці. Наприклад, ми можемо знайти коефіцієнт тертя між деревиною та сталлю у фізичній книзі, і це може сказати: 0,1. Константа тертя описує частку сили, з якою я притискаю тіла одне до одного, і сили тертя, яка може переважати паралельно поверхні тіла. Однак це значення 0,1 також може бути в десять разів більшим - тому коефіцієнт тертя може бути набагато більшим, якщо поверхні якимось чином змінюються. Це якраз відображає складність проблеми. Мільярди та мільярди атомних контактів відіграють ту роль, яку насправді всі ми повинні описати окремо. Ми не маємо вхідних параметрів і не знаємо точного стану. Тому ми не можемо робити хороших прогнозів ".
Непередбачуваність тертя має прямі та, перш за все, дорогі наслідки: Зрештою, всі наші машини та пристрої спричиняють не незначні втрати енергії через тертя. Отже, вчені сподіваються, що завдяки кращому розумінню тертя механічні системи, такі як компоненти транспортного засобу або крихітні деталі мікросистемної технології, можуть бути виготовлені з меншими втратами і, таким чином, економити енергію.