Znajomy pisk gumowej podeszwy na twardej powierzchni to nie tylko tarcie w działaniu: nowe badania pokazują, że jest to zaskakująco złożone zjawisko, obejmujące niewiarygodnie szybkie ruchy, a nawet drobne wyładowania elektryczne. Badanie opublikowane 25 lutego w czasopiśmie Nature przez naukowców z Harvardu, Nottingham i francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych sugeruje, że miękkie materiały, takie jak guma, nie ślizgają się gładko. Zamiast tego ruch odbywa się w postaci szybkich, powtarzających się impulsów zwanych „impulsami uwalniającymi”, które generują wibracje, które słyszymy jako skrzypienie.
Poza lepką powłoką: jak guma naprawdę się porusza
Tradycyjne modele tarcia często opierają się na koncepcji stick-slip: powierzchnie są wielokrotnie sprzęgane i zwalniane. To dość dobrze wyjaśnia piski hamulców rowerowych lub zawiasów drzwi. Jednak guma zachowuje się inaczej. Zamiast równomiernego przesuwania, ruch koncentruje się na zlokalizowanych impulsach, które odrywają się i łączą ponownie na całej powierzchni styku. To nie tylko powoduje hałas, ale także stwarza warunki, w których mogą pojawiać się miniaturowe iskry przypominające błyskawice.
Zespół wykorzystał szybkie obrazowanie optyczne i zsynchronizowany dźwięk, aby obejrzeć go w akcji i odkrył, że kształt gumy, a nie tylko jej ruch, determinuje wysokość pisku. Płaskie gumowe bloki wytwarzają nierówny „szum”, podczas gdy żebra kierują impulsy w powtarzalnym cyklu, blokując dźwięk na określonej częstotliwości. W rzeczywistości badaczom udało się odtworzyć motyw Gwiezdnych Wojen przy użyciu bloków o różnej wysokości, co udowodniło, jak precyzyjnie można kontrolować częstotliwość skrzypienia.
Zaskakujące połączenie dotyczące trzęsień ziemi
Nie chodzi tylko o lepsze projekty obuwia. Impulsy uwalniające obserwowane w eksperymentach mają kluczowe cechy wspólne z frontami pęknięć trzęsienia ziemi, gdzie fragmenty uskoków nagle pękają i ślizgają się z ekstremalnymi prędkościami. Według współautora badania, Shmuela Rubinsteina, fizyka jest „niezwykle podobna”, mimo że delikatne tarcie jest powszechnie uważane za powolne. To odkrycie może poprawić naszą wiedzę na temat dynamiki trzęsień ziemi.
„Delikatne tarcie jest zwykle uważane za powolne, ale pokazujemy, że pisk tenisówki może rozprzestrzeniać się równie szybko, a nawet szybciej, niż pęknięcie uskoku geologicznego”.
Implikacje dla inżynierii i nauki o materiałach
Badania otwierają również możliwość opracowania powierzchni, które na żądanie mogą przełączać się między stanem śliskim i przyczepnym. Zrozumienie działania tych impulsów uwalniających może prowadzić do materiałów o dynamicznie kontrolowanych współczynnikach tarcia. Szczegółowa analiza tarcia w mikroskali przeprowadzona przez zespół pozwala na głębsze zrozumienie interakcji materiałów, co ma konsekwencje wykraczające poza produkty konsumenckie.
Wyniki pokazują, że pozornie proste zjawiska, takie jak skrzypiące buty, mogą ujawnić podstawowe prawa fizyki z dalekosiężnymi konsekwencjami. Badanie podważa długo utrzymywane założenia dotyczące tarcia w miękkich materiałach i może zmienić nasze rozumienie zarówno codziennych zjawisk, jak i wydarzeń geologicznych na dużą skalę.
