اكتشاف فيزيائي جديد يفسر سبب صرير الأحذية الرياضية وتداعياته الواسعة

المملكة العربية السعودية - وكالة أنباء إخباري

اكتشاف فيزيائي جديد يفسر سبب صرير الأحذية الرياضية وتداعياته الواسعة

لطالما كان صوت صرير الأحذية الرياضية على أرضية الملعب جزءًا لا يتجزأ من تجربة مشاهدة مباريات كرة السلة، صوت مميز ومألوف يعزى تقليديًا إلى فيزياء الاحتكاك. ومع ذلك، على الرغم من شيوع هذه الأصوات في سياقات متعددة — من إطارات السيارات إلى مكابح الدراجات ومساحات الزجاج الأمامي — إلا أن البحث العلمي المتعمق في الديناميكيات التفصيلية للأسطح الصريرية كان محدودًا بشكل مدهش. الآن، أسفرت دراسة دولية رائدة عن اكتشافات محورية، تلقي ضوءًا جديدًا على هذه الظاهرة اليومية وتكشف عن آفاق علمية غير متوقعة.

الدراسة، التي نُشرت نتائجها مؤخرًا في مجلة Nature المرموقة، تتحدى النظريات السائدة حول الاحتكاك الالتصاقي الانزلاقي (stick-slip friction)، وهي العملية التي يُعتقد أنها تولد هذه الأصوات من خلال دورات منتظمة من التصاق وانزلاق جسمين. بينما كان يُعرف أن هذه الظاهرة تلعب دورًا، فإن التفسير لم يكن شاملًا بما يكفي لتغطية جميع العوامل المؤثرة. قاد هذا النقص في الفهم فريقًا بحثيًا دوليًا، يضم علماء من جامعة هارفارد وجامعة نوتنغهام، لإجراء فحص تفصيلي للعلاقات الفيزيائية المعقدة الكامنة وراء الصرير.

بدأ المشروع بسؤال بسيط ومباشر: "لماذا تصر أحذية كرة السلة؟"، كما صرح أديل جيلولي، المؤلف المشارك في الدراسة وعالم المواد في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS). للإجابة على هذا السؤال، لم يعتمد فريق جيلولي على التكنولوجيا المتقدمة فحسب، بل استلهم أيضًا من ليوناردو دافنشي، العبقري متعدد المواهب في القرن الخامس عشر، والذي اشتهر بتصميم جهاز مائل للمساعدة في تجاربه حول فيزياء الاحتكاك. مستفيدين من أكثر من 500 عام من الأبحاث في مجال الاحتكاك، استخدم الباحثون تقنيات تصوير الانعكاس الداخلي وكاميرات قادرة على التسجيل بمليون إطار في الثانية لتوثيق نقاط الاتصال المتغيرة بين نعال الأحذية المطاطية والسطح الزجاجي. وفي الوقت نفسه، تم استخدام أدوات دقيقة لقياس الصوت الناتج عن كل صرير صغير.

المفاجأة كانت في النتائج التي تناقضت مع النظريات الراسخة حول أحداث الالتصاق والانزلاق. فبدلاً من أن تحدث عشوائيًا، تبين أن ترددات صوت الصرير تتحدد بمعدل تكرار النبضات المنتشرة. تعتمد سرعة التكرار هذه بدورها على صلابة وسمك المطاط في الحذاء الرياضي. كشفت التجارب الإضافية التي استخدمت كتلًا مطاطية مسطحة على الزجاج أيضًا عن نبضات ضوضاء أكثر تعقيدًا وغير منتظمة، تشبه الأصوات الأوسع نطاقًا، مما أثبت أن الهندسة السطحية عامل رئيسي في كيفية توليد الاحتكاك للصرير. وأضاف غابرييل ألبرتيني، المؤلف المشارك في الدراسة وعالم المواد بجامعة نوتنغهام: "لقد فوجئنا بأن الميزات السطحية الدقيقة يمكن أن تعيد تنظيم حركة الاحتكاك بقوة. تتحدى هذه النتائج الافتراض القائل بأن الاحتكاك يمكن التقاطه بالكامل بواسطة نماذج أحادية البعد مبسطة."

وصل جيلولي وألبرتيني وزملاؤهما في النهاية إلى فهم عميق لهذه العلاقات، لدرجة أنهم تمكنوا من ترتيب كتل مطاطية على ارتفاعات مختلفة وعزف لحن دارث فيدر الشهير من حرب النجوم يدويًا. وبالمصادفة، اكتشف الفريق نتيجة احتكاكية أخرى تذكر بأحداث من "مجرة بعيدة جدًا": في بعض الأحيان، أنتجت نبضات الانزلاق تفريغات كهربائية احتكاكية، وهي في الأساس ومضات صغيرة من "برق القوة".

تتجاوز هذه النتائج الجديدة مجرد هندسة أحذية رياضية أكثر هدوءًا. فهي ستمهد الطريق لتحسين بعض المواد الهندسية الأكثر تقدمًا في العالم. أوضحت كاتيا بيرتولدي، عالمة المواد في SEAS والمؤلفة المشاركة في الدراسة: "لقد كان ضبط السلوك الاحتكاكي أثناء التنقل حلمًا هندسيًا طويل الأمد. هذا الفهم الجديد لكيفية تحكم الهندسة السطحية في نبضات الانزلاق يمهد الطريق لمواد احتكاكية فائقة قابلة للتعديل يمكن أن تنتقل من حالات احتكاك منخفض إلى قبضة عالية عند الطلب."

تمتد تداعيات هذا البحث أيضًا إلى مواضيع أكبر بكثير. فالفيزياء نفسها التي تظهر في نبضات الانزلاق تُرى أثناء الزلازل، عندما تنتج الصدوع التكتونية تمزقات عالية السرعة تتحرك أحيانًا أسرع من سرعة الصوت. علق الفيزيائي شموئيل روبنشتاين: "تربط هذه النتائج مجالين منفصلين تقليديًا: علم الاحتكاك للمواد اللينة وديناميكيات الزلازل. عادة ما يُعتبر الاحتكاك اللين بطيئًا، لكننا نوضح أن صرير الحذاء الرياضي يمكن أن ينتشر بنفس سرعة، أو حتى أسرع من، تمزق الصدع الجيولوجي، وأن فيزيائيتهما متشابهة بشكل مدهش." يمثل هذا الاكتشاف تقدمًا كبيرًا في فهمنا للعالم المادي، مع وعد بتطبيقات عملية واسعة النطاق في مجالات متنوعة من المنتجات اليومية إلى الظواهر الجيولوجية الهائلة.

وكالة أنباء إخباري