Привычный скрип резиновой подошвы о твёрдую поверхность — это не просто трение в действии: новые исследования показывают, что это удивительно сложный феномен, включающий в себя невероятно быстрые движения и даже крошечные электрические разряды. Исследование, опубликованное в журнале Nature 25 февраля, проведённое учёными из Гарварда, Ноттингема и Французского национального центра научных исследований, предполагает, что мягкие материалы, такие как резина, не скользят плавно. Вместо этого движение происходит в виде быстрых, повторяющихся импульсов, называемых «импульсами расцепления», которые генерируют вибрации, которые мы слышим как скрип.
За Пределами «Липкого-Соскальзывающего»: Как На самом деле Движется Резина
Традиционные модели трения часто опираются на концепцию «липкого-соскальзывающего»: поверхности неоднократно зацепляются и освобождаются. Это достаточно хорошо объясняет скрипы от тормозов велосипеда или дверных петель. Однако резина ведёт себя иначе. Вместо равномерного скольжения движение концентрируется в локализованных импульсах, которые отрываются и снова прикрепляются по всей площади контакта. Это не только производит шум, но и создаёт условия, при которых могут появляться миниатюрные, похожие на молнию искры.
Команда использовала высокоскоростную оптическую съёмку и синхронизированное аудио, чтобы наблюдать это в действии, обнаружив, что форма резины, а не только её движение, определяет высоту скрипа. Плоские резиновые блоки производят неровный «свист», в то время как рёбра направляют импульсы в повторяющийся цикл, фиксируя звук на определённой частоте. Фактически, исследователи смогли воспроизвести тему из Звёздных войн, используя блоки разной высоты, доказав, насколько точно можно контролировать частоту скрипа.
Удивительная Связь с Землетрясениями
Это не только о лучшем дизайне обуви. Импульсы расцепления, наблюдаемые в экспериментах, имеют ключевые особенности, общие с фронтами разрыва при землетрясениях, где участки разлома внезапно ломаются и скользят с экстремальной скоростью. По словам соавтора исследования Шмуэля Рубинштейна, физика «удивительно похожа», несмотря на то, что мягкое трение обычно считается медленным. Эта находка может улучшить наше понимание динамики землетрясений.
«Мягкое трение обычно считается медленным, но мы показываем, что скрип кроссовка может распространяться так же быстро или даже быстрее, чем разрыв геологического разлома».
Последствия для Инженерии и Материаловедения
Исследование также открывает возможности для разработки поверхностей, которые могут переключаться между скользким и цепким состояниями по требованию. Понимание того, как функционируют эти импульсы расцепления, может привести к материалам с динамически регулируемыми коэффициентами трения. Детальный анализ трения в микромасштабе, проведённый командой, даёт более глубокое понимание того, как взаимодействуют материалы, что имеет последствия, выходящие за рамки потребительских товаров.
Результаты демонстрируют, что, казалось бы, простые явления, такие как скрипучие ботинки, могут раскрыть фундаментальную физику с далеко идущими последствиями. Исследование бросает вызов давним предположениям о трении мягких материалов и может изменить наше понимание как повседневных явлений, так и крупномасштабных геологических событий.
