Прорывное Физическое Открытие Объясняет Тайну Скрипа Кроссовок

Россия - Информационное агентство Эхбари

Прорывное Физическое Открытие Объясняет Тайну Скрипа Кроссовок

Характерный скрип кроссовок на баскетбольной площадке — мгновенно узнаваемый звук, почти неизбежная часть игры, традиционно приписываемая физике трения. Однако, несмотря на повсеместное распространение подобных высоких звуков — от визга шин до старых велосипедных тормозов и дворников — удивительно мало глубоких исследований было посвящено детальной динамике скрипящих поверхностей. Теперь новаторское международное исследование принесло ключевые открытия, проливающие новый свет на это повседневное явление и раскрывающие неожиданные научные горизонты.

Опубликованное недавно в престижном журнале Nature, исследование бросает вызов давним теориям о трении скольжения-сцепления (stick-slip friction) — процессе, который, как считается, генерирует эти звуки через регулярные циклы прилипания и движения двух объектов друг относительно друга. Хотя было понятно, что это явление играет роль, объяснение не было достаточно полным, чтобы охватить все влияющие факторы. Этот пробел в понимании побудил международную исследовательскую группу, включающую ученых из Гарвардского университета и Университета Ноттингема, провести детальное изучение сложных физических взаимосвязей, лежащих в основе скрипа.

Проект начался с простого и прямого вопроса: «Почему скрипят баскетбольные кроссовки?» — заявил Адель Джеллули, соавтор исследования и материаловед из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS). Чтобы ответить на этот вопрос, команда Джеллули не только использовала передовые технологии, но и черпала вдохновение у самого Леонардо да Винчи, полимата XV века, известного тем, что он разработал наклонное приспособление для своих экспериментов по изучению физики трения. Опираясь на более чем 500-летние исследования трения, команда использовала внутреннюю отражательную визуализацию наряду с камерами, способными записывать со скоростью один миллион кадров в секунду, чтобы задокументировать меняющиеся точки контакта между резиновыми подошвами кроссовок и стеклянной поверхностью. Одновременно деликатные инструменты точно измеряли звук, производимый при каждом малейшем скрипе.

Результаты были поразительными, противоречащими установленным теориям относительно событий скольжения-сцепления. Вместо того чтобы происходить случайным образом, частоты скрипящего звука определялись скоростью повторения распространяющихся импульсов. Эта скорость повторения, в свою очередь, диктуется жесткостью и толщиной резиновой подошвы кроссовка. Дальнейшие эксперименты с использованием плоских резиновых блоков на стекле также выявили гораздо более сложные и нерегулярные шумовые импульсы, напоминающие более широкие, шуршащие звуки, тем самым доказывая, что геометрия поверхности является основным фактором в том, как трение генерирует скрип. «Мы были удивлены, что крошечные особенности поверхности могли так сильно реорганизовать фрикционное движение», — добавил соавтор исследования Габриэле Альбертини, материаловед из Университета Ноттингема. «Эти результаты ставят под сомнение предположение, что трение может быть полностью описано упрощенными одномерными моделями».

Джеллули, Альбертини и их коллеги в конечном итоге достигли такого глубокого понимания этих взаимосвязей, что смогли расположить резиновые блоки на разной высоте и вручную сыграть главную тему Дарта Вейдера из «Звездных войн». По совпадению, команда обнаружила еще одно увлекательное фрикционное следствие, напоминающее о далекой-далекой галактике: иногда импульсы скольжения создавали трибоэлектрические разряды — по сути, крошечные случаи «силовой молнии».

Помимо проектирования более тихих кроссовок, эти новые открытия призваны значительно продвинуть некоторые из самых сложных инженерных материалов в мире. «Настройка фрикционного поведения на лету была давней инженерной мечтой», — объяснила Катя Бертольди, материаловед SEAS и соавтор. «Это новое понимание того, как геометрия поверхности управляет импульсами скольжения, открывает путь для настраиваемых фрикционных метаматериалов, которые могут переходить от состояний низкого трения к состояниям высокого сцепления по требованию». Эта возможность может революционизировать области, требующие точного контроля над поверхностными взаимодействиями, от робототехники до передового производства.

Последствия этого исследования также распространяются на гораздо более крупные геологические явления. Та же самая физика, наблюдаемая в этих импульсах скольжения, отражается во время землетрясений, где тектонические разломы производят высокоскоростные разрывы, которые иногда могут распространяться быстрее скорости звука. «Эти результаты объединяют две традиционно разобщенные области: трибологию мягких материалов и динамику землетрясений», — заявил физик Шмуэль Рубинштейн. «Мягкое трение обычно считается медленным, но мы показываем, что скрип кроссовка может распространяться так же быстро или даже быстрее, чем разрыв геологического разлома, и что их физика поразительно похожа». Это открытие представляет собой значительный скачок в нашем понимании физического мира, обещая широкий спектр практических применений от повседневных продуктов до огромных геологических событий.

Информационное агентство Эхбари