Звичний скрип гумової підошви про тверду поверхню – це не просто тертя в дії: нові дослідження показують, що це напрочуд складний феномен, що включає неймовірно швидкі рухи і навіть крихітні електричні розряди. Дослідження, опубліковане в журналі Nature 25 лютого, проведене вченими з Гарварду, Ноттінгема та Французького національного центру наукових досліджень, передбачає, що м’які матеріали, такі як гума, не ковзають плавно. Натомість рух відбувається у вигляді швидких, повторюваних імпульсів, званих «імпульсами розчеплення», які генерують вібрації, які ми чуємо як скрип.
За Межами «Липкого-Сковзного»: Як Насправді Рухається Гума
Традиційні моделі тертя часто спираються на концепцію «липкого-соскальзывающего»: поверхні неодноразово зачіплюються та звільняються. Це досить добре пояснює скрипи від гальм велосипеда чи дверних петель. Однак гума поводиться інакше. Замість рівномірного ковзання рух концентрується в локалізованих імпульсах, які відриваються та знову прикріплюються по всій площі контакту. Це не тільки здійснює шум, а й створює умови, за яких можуть з’являтися мініатюрні, схожі на блискавку іскри.
Команда використовувала високошвидкісну оптичну зйомку та синхронізоване аудіо, щоб спостерігати це в дії, виявивши, що форма гуми, а не тільки її рух визначає висоту скрипу. Плоскі гумові блоки виробляють нерівний «свист», тоді як ребра направляють імпульси в цикл, що повторюється, фіксуючи звук на певній частоті. Фактично, дослідники змогли відтворити тему зі “Зоряних воєн”, використовуючи блоки різної висоти, довівши, наскільки точно можна контролювати частоту скрипу.
Дивовижний Зв’язок із Землетрусами
Це не тільки про найкращий дизайн взуття. Імпульси розчеплення, що спостерігаються в експериментах, мають ключові особливості, спільні з фронтами розриву при землетрусах, де ділянки розлому раптово ламаються та ковзають із екстремальною швидкістю. За словами співавтора дослідження Шмуеля Рубінштейна, фізика «напрочуд схожа», незважаючи на те, що м’яке тертя зазвичай вважається повільним. Ця знахідка може покращити наше розуміння динаміки землетрусів.
«М’яке тертя зазвичай вважається повільним, але ми показуємо, що скрип кросівка може поширюватися так само швидко чи навіть швидше, ніж розрив геологічного розлому».
Наслідки для Інженерії та Матеріалознавства
Дослідження також відкриває можливості розробки поверхонь, які можуть перемикатися між слизьким і чіпким станами на вимогу. Розуміння того, як ці імпульси розчеплення функціонують, може призвести до матеріалів з динамічно регульованими коефіцієнтами тертя. Детальний аналіз тертя в мікромасштабі, проведений командою, дає більш глибоке розуміння того, як взаємодіють матеріали, що має наслідки, що виходять за межі споживчих товарів.
Результати демонструють, що, здавалося б, прості явища, такі як скрипучі черевики, можуть розкрити фундаментальну фізику з далекосяжними наслідками. Дослідження кидає виклик давнім припущенням про тертя м’яких матеріалів і може змінити наше розуміння як повсякденних явищ, і великомасштабних геологічних подій.
