Атомы скользят друг по другу, в конце концов сцепляясь в различных комбинациях. То же самое происходит с тектоническими плитами, которые скользят друг по другу, пока не остановятся в стационарном состоянии. От мельчайших частиц до непостижимо больших массивов суши — всё обладает фундаментальной характеристикой сцепления и скольжения, но только сейчас учёные начинают понимать механику трения, лежащую в основе этого свойства.
Прерывистое движение в системах скольжения называется эффектом сцепления-скольжения, поскольку кажется, что две контактирующие поверхности повторяют состояния сцепления и скольжения. Однако точные измерения показали, что даже в кажущихся неподвижными состояниях происходит чрезвычайно медленное скольжение перед каждым переходом от сцепления к скольжению, — говорит Тошики Ватанабэ, докторант Высшей школы экологических и информационных наук Университета Йокогамы, который недавно стал соавтором статьи, описывающей новую модель для объяснения загадочного переключения.
Это странное явление, называемое парадоксом статического трения, десятилетиями оставалось нерешённой проблемой.
Модель, помогающая ответить на этот вопрос, объясняет, что для объяснения медленных скольжений другие исследователи прибегали к искусственным законам трения или объяснениям, включающим специфические, но вымышленные параметры, такие как переменные состояния.
Новая модель, разработанная Ватанабэ и соавтором Кэн Накано, профессором факультета экологических и информационных наук Университета Йокогамы, и опубликованная в журнале Physical Review E 18 июня, предлагает упрощённое решение, не полагаясь на искусственные законы трения.
«Простая механическая модель, которую мы предлагаем здесь, — это вязкоупругая игрушечная модель, которая представляет новый сценарий для объяснения парадокса статического трения в нестабильности сцепления-скольжения без искусственных законов трения», — сказал Накано, объясняя, что команда теоретически подтвердила свою модель. «Хотя принято считать, что явления трения в целом сложны, их сущность может быть гораздо проще, как показывает настоящая модель».
Вязкоупругость описывает, как материал может реагировать как жидкость или твёрдое тело на различные напряжения и деформации. Классический пример вязкоупругого материала — это жвачка для рук. Если оставить её в покое, она примет форму любой поверхности, на которой лежит, как вязкая жидкость. Но если быстро потянуть её в двух направлениях, она будет сопротивляться растяжению и затем порвётся, как упругое твёрдое тело.
Существует несколько различных моделей, описывающих вязкоупругость, говорят исследователи, но они обратились к простейшей версии, называемой вязкоупругим основанием Кельвина-Фойгта. Идея состоит в том, что материал Кельвина-Фойгта в долгосрочной перспективе проявляет только упругие свойства, но сопротивляется быстрым изменениям. К этой модели исследователи добавили жёсткий зонд, который движется вертикально и колеблется горизонтально.
Система скольжения использует не статическое трение, говорят исследователи, а создаёт два состояния скольжения: медленное и быстрое.
«Эта игрушечная модель даёт чисто механическое объяснение парадокса статического трения», — сказал Ватанабэ, отметив, что жёсткий зонд поднимается вертикально, чтобы контролировать так называемый постепенный рост медленного скольжения или медленное ползучее движение. Скорость медленного скольжения постепенно увеличивается по мере нарастания напряжения трения. «Во время роста скорости скольжения, чем резче меняется временной масштаб, тем интенсивнее происходит переход от медленного к быстрому скольжению».
Далее исследователи планируют более подробно изучить свою модель и выяснить, как феномен медленного скольжения может дать ключ к пониманию землетрясений. «Наша конечная цель — понять сложные явления трения как можно более интуитивно и предоставить критерии для прогнозирования и управления различными системами, связанными с трением, от атомного до геологического масштаба», — сказал Накано.
Предоставлено Университетом Йокогамы.