삐걱거리는 신발의 미스터리 해명: 하버드 엔지니어들, 초소형 번개와 초음속 미끄럼 펄스 발견

[미국] - 이크바리 뉴스 통신사

삐걱거리는 신발의 미스터리 해명: 하버드 엔지니어들, 초소형 번개와 초음속 미끄럼 펄스 발견

농구 코트에서 운동화의 흔한 삐걱거리는 소리는 오랫동안 익숙한 소리였지만, 이 독특한 청각 현상의 정확한 과학적 메커니즘은 대체로 미개척 상태로 남아 있었습니다. 이제 하버드 대학교 엔지니어들로 구성된 협력팀은 영국 노팅엄 대학교 및 프랑스 국립 과학 연구소의 전문가들과 함께, 단순한 표면 마찰을 훨씬 뛰어넘는 복잡한 역학을 밝혀내는 설득력 있는 새로운 설명을 제시했습니다.

최근 권위 있는 학술지 네이처(Nature)에 발표된 이들의 획기적인 연구는 삐걱거리는 소리가 단순히 밑창 전체가 균일하게 달라붙었다가 미끄러지는 것이 아니라고 주장합니다. 대신, 접촉면을 가로질러 고무를 분리하고 다시 부착시키는, '개방형 미끄럼 펄스'라고 불리는 빠르고 주름진 형태의 결과입니다. 초음속으로 재료를 가로질러 움직이는 것으로 관찰된 이 펄스는 우리 귀가 삐걱거림으로 인식하는 고주파 진동을 생성합니다. 흥미롭게도, 일부 실험에서는 과정에 수반되는 초소형, 번개와 같은 스파크가 발견되었는데, 이는 이러한 미끄럼 사건을 시작하는 데 전기 에너지 축적이 역할을 한다는 것을 시사합니다.

하버드 대학교의 박사후 연구원이자 연구의 제1 저자인 아델 제루리 박사는 "근본적으로, 이러한 발견은 연질 재료 마찰이 단순화된 1차원 '점착-미끄럼' 모델로 완전히 포착될 수 있다는 오랜 가설에 도전합니다"라고 말했습니다. 고전적인 '점착-미끄럼' 모델은 문 경첩과 같은 단단한 재료 간의 마찰을 효과적으로 설명하지만, 고무와 같은 연질 재료는 단단한 표면 위에서 미끄러질 때 현저히 다른 행동을 보입니다.

이 과정의 물리학을 면밀히 밝히기 위해 연구자들은 오디오 녹음과 동기화된 고속 광학 이미징을 사용했습니다. 이를 통해 매끄러운 유리 위에서 연질 고무가 빠르게 움직이는 것을 정확하게 관찰할 수 있었습니다. 그들이 목격한 것은 매끄럽고 연속적인 미끄럼이 아니라, 시작과 멈춤의 연속으로 고무를 가로질러 움직이는 이러한 뚜렷한 개방형 미끄럼 펄스로 뭉쳐진 움직임이었습니다. 작은 영역만이 열리고 미끄러진 다음 다른 영역은 완전히 접촉한 상태로 유지되는 이러한 국소화된 움직임은, 전체 접촉면이 점착과 미끄럼 사이를 번갈아 움직인다는 고전적 모델의 가정과 크게 다릅니다.

가장 놀라운 발견 중 하나는 마찰 자체에 의해 생성된 작은 섬광, 즉 연구팀이 초소형 "번개" 스파크라고 묘사한 것이 나타났다는 점입니다. 특정 테스트에서 이러한 전기 방전은 미끄럼 펄스를 적극적으로 유발하는 것으로 보였습니다. 비록 삐걱거리는 소리의 주요 원인으로 확인되지는 않았지만, 그들의 존재는 고무가 움직일 때 시스템 내에서 전기 에너지가 어떻게 축적될 수 있는지를 보여주며, 전반적인 역학에서 중요한 역할을 했습니다.

미시적 역학을 넘어, 연구팀은 소리의 높낮이에 관해서도 중요한 발견을 했습니다. 즉, 고무의 모양이 움직임 속도보다는 삐걱거림의 주파수를 결정하는 주요 요인임이 밝혀졌습니다. 평평한 고무 블록이 유리 위에서 미끄러질 때, 미끄럼 펄스는 불규칙하여 넓은 "쉬익" 소리를 냈습니다. 그러나 고무에 얇은 융기를 추가함으로써, 이 융기들은 펄스를 효과적으로 제한하여 규칙적인 간격으로 반복되도록 강제했습니다. 이러한 구조적 안내는 소리를 특정 주파수 또는 음조에 고정시켰고, 음높이는 고무 융기의 높이와 직접적으로 관련되었습니다.

이 메커니즘의 신뢰성은 너무나 심오해서 연구자들은 다양한 융기 높이를 가진 고무 블록을 설계했고, 놀랍게도 이를 사용하여 '스타워즈'의 상징적인 '제국의 행진' 테마를 수동으로 연주했습니다. 제루리 박사는 이 유쾌한 실험을 회상하며 말했습니다. "실제로 스타워즈 테마곡을 연주할 때, 영상을 제대로 찍기 위해 사흘 밤낮으로 연습해야 했습니다… 가장 재미있었던 부분은 사흘 동안 계속되는 고음의 삐걱거림 끝에 녹음을 마쳤을 때 실험실의 안도감이었습니다. 동료들은 드디어 다시 평화를 되찾아 매우 기뻐했습니다!"

이러한 발견의 함의는 운동화의 영역을 훨씬 넘어섭니다. 이 실험에서 관찰된 미끄럼 펄스는 지진의 파열 전선과 놀라운 유사성을 공유하는데, 지진에서는 지질 단층의 일부가 갑자기 파열되어 극도로 빠른 속도로 미끄러집니다. 연구의 공동 저자이자 예루살렘 히브리 대학교 물리학 교수이자 SEAS의 방문 교수인 슈무엘 루빈스타인 박사는 "연질 마찰은 일반적으로 느리다고 여겨지지만, 우리는 운동화의 삐걱거림이 지질 단층의 파열만큼 빠르거나 심지어 더 빠르게 전파될 수 있으며, 그들의 물리학이 놀라울 정도로 유사하다는 것을 보여줍니다"라고 설명했습니다.

지진의 근본적인 물리학에 대한 새로운 통찰력을 제공하는 것 외에도, 이 연구는 엔지니어들이 필요에 따라 미끄러운 상태와 접지력이 강한 상태 사이를 전환할 수 있는 표면을 설계하는 데 크게 도움이 될 수 있습니다. 하버드 대학교 응용 역학 교수인 카티아 베르톨디 교수는 "마찰 행동을 즉석에서 조절하는 것은 오랫동안 엔지니어링의 꿈이었습니다"라고 언급했습니다. "표면 기하학이 미끄럼 펄스를 어떻게 제어하는지에 대한 이 새로운 통찰력은 필요에 따라 낮은 마찰에서 높은 접지 상태로 전환할 수 있는 조절 가능한 마찰 메타물질을 위한 길을 열어줍니다."

이 연구는 일상적인 소리에 대한 정교한 설명을 제공할 뿐만 아니라, 지진학에서 첨단 재료 과학에 이르기까지 다양한 분야에서 새로운 연구의 길을 열어주며, 겉보기에 작은 현상에 대한 세심한 관찰이 보편적인 과학적 원리를 어떻게 밝혀낼 수 있는지를 강조합니다.

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