Una Scoperta Fisica Rivoluzionaria Spiega il Mistero del Cigolio delle Scarpe da Ginnastica

Italia - Agenzia stampa Ekhbary

Una Scoperta Fisica Rivoluzionaria Spiega il Mistero del Cigolio delle Scarpe da Ginnastica

Il distintivo cigolio delle scarpe da ginnastica su un campo da basket è un suono immediatamente riconoscibile, una parte quasi inevitabile del gioco tradizionalmente attribuita alla fisica dell'attrito. Eppure, nonostante l'ubiquità di rumori acuti simili – dai pneumatici che stridono ai freni di bicicletta invecchiati e ai tergicristalli – sorprendentemente poca ricerca approfondita ha esplorato le dinamiche dettagliate delle superfici cigolanti. Ora, uno studio internazionale pionieristico ha fornito intuizioni cruciali, gettando nuova luce su questo fenomeno quotidiano e rivelando inaspettate frontiere scientifiche.

Pubblicato recentemente sulla prestigiosa rivista Nature, lo studio sfida le teorie di lunga data sull'attrito di aderenza-scivolamento (stick-slip friction), il processo che si ritiene generi questi suoni attraverso cicli regolari di due oggetti che aderiscono e si muovono l'uno rispetto all'altro. Sebbene fosse chiaro che questo fenomeno giocasse un ruolo, la spiegazione non era sufficientemente completa per comprendere tutti i fattori influenti. Questa lacuna nella comprensione ha spinto un team di ricerca internazionale, composto da scienziati dell'Università di Harvard e dell'Università di Nottingham, a intraprendere un esame dettagliato delle complesse relazioni fisiche alla base del cigolio.

Il progetto è iniziato con una domanda semplice e diretta: "Perché le scarpe da basket cigolano?" ha dichiarato Adel Djellouli, co-autore dello studio e scienziato dei materiali presso la Harvard's School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Per rispondere a ciò, il team di Djellouli non solo ha sfruttato la tecnologia avanzata, ma ha anche tratto ispirazione da nientemeno che Leonardo da Vinci, il poliedrico del XV secolo, famoso per aver ideato un congegno angolato per aiutare i suoi esperimenti che esploravano la fisica dell'attrito. Basandosi su oltre 500 anni di ricerca sull'attrito, il team ha utilizzato l'imaging a riflessione interna insieme a telecamere in grado di registrare a un milione di fotogrammi al secondo per documentare i punti di contatto mutevoli tra le suole di gomma delle scarpe da ginnastica e una superficie di vetro. Contemporaneamente, strumenti delicati hanno misurato con precisione l'audio prodotto durante ogni minimo cigolio.

I risultati sono stati sorprendenti, contraddicendo le teorie consolidate sugli eventi di aderenza-scivolamento. Invece di verificarsi in modo casuale, le frequenze sonore del cigolio sono state determinate dal tasso di ripetizione degli impulsi propaganti. Questa velocità di ripetizione, a sua volta, è dettata dalla rigidità e dallo spessore della gomma della scarpa da ginnastica. Ulteriori esperimenti che utilizzavano blocchi di gomma a lati piatti su vetro hanno anche rivelato impulsi di rumore molto più complessi e irregolari, simili a suoni più ampi e fruscianti, dimostrando così che la geometria della superficie è un fattore importante nel modo in cui l'attrito genera i cigolii. "Siamo rimasti sorpresi che minuscole caratteristiche superficiali potessero riorganizzare così fortemente il movimento di attrito", ha aggiunto il co-autore dello studio Gabriele Albertini, scienziato dei materiali dell'Università di Nottingham. "Questi risultati sfidano l'ipotesi che l'attrito possa essere completamente catturato da modelli unidimensionali semplificati."

Djellouli, Albertini e i loro colleghi hanno infine sviluppato una comprensione così profonda di queste relazioni da poter disporre blocchi di gomma a varie altezze e suonare manualmente il tema di Darth Vader di Star Wars. Per coincidenza, il team ha scoperto un'altra affascinante conseguenza dell'attrito che ricorda eventi in una galassia lontana, lontana: occasionalmente, gli impulsi di scivolamento creavano scariche triboelettriche – essenzialmente, minuscole istanze di 'fulmine di forza'.

Oltre a progettare scarpe da ginnastica più silenziose, queste nuove scoperte sono destinate a far progredire in modo significativo alcuni dei materiali ingegneristici più sofisticati al mondo. "Regolare il comportamento di attrito al volo è stato un sogno ingegneristico di lunga data", ha spiegato Katia Bertoldi, scienziata dei materiali del SEAS e co-autrice. "Questa nuova intuizione su come la geometria della superficie governa gli impulsi di scivolamento apre la strada a metamateriali attritivi sintonizzabili che possono passare da stati a basso attrito a stati ad alta aderenza su richiesta." Questa capacità potrebbe rivoluzionare i settori che richiedono un controllo preciso sulle interazioni superficiali, dalla robotica alla produzione avanzata.

Le ramificazioni di questa ricerca si estendono anche a fenomeni geologici molto più ampi. La stessa fisica osservata in questi impulsi di scivolamento si riflette durante i terremoti, dove le faglie tettoniche producono rotture ad alta velocità che a volte possono propagarsi più velocemente della velocità del suono. "Questi risultati collegano due campi tradizionalmente disconnessi: la tribologia dei materiali morbidi e la dinamica dei terremoti", ha dichiarato il fisico Shmuel Rubinstein. "L'attrito morbido è solitamente considerato lento, eppure mostriamo che il cigolio di una scarpa da ginnastica può propagarsi alla stessa velocità, o anche più velocemente, della rottura di una faglia geologica, e che la loro fisica è sorprendentemente simile." Questa scoperta rappresenta un salto significativo nella nostra comprensione del mondo fisico, promettendo ampie applicazioni pratiche dai prodotti di uso quotidiano agli immensi eventi geologici.

Agenzia stampa Ekhbary