Атомы скользят друг по другу, в конце концов сцепляясь в различных комбинациях. Так же ведут себя и тектонические плиты, скользящие друг по другу, пока не остановятся в стационарном состоянии. Всё, от мельчайших частиц до непостижимо больших массивов суши, обладает этой фундаментальной характеристикой прилипания и скольжения, но только сейчас учёные начинают понимать механику трения, лежащую в основе этого свойства.
Прерывистое движение в системах скольжения называют эффектом прилипания-скольжения, поскольку кажется, что две контактирующие поверхности повторяют состояния прилипания и скольжения. Однако несколько точных измерений показали, что даже в кажущихся неподвижными состояниях перед каждым переходом от прилипания к скольжению происходит чрезвычайно медленное проскальзывание. Об этом рассказал Тошики Ватанабэ, докторант Высшей школы экологических и информационных наук Национального университета Йокohama, который недавно стал соавтором статьи, описывающей новую модель для объяснения этого загадочного явления.
Это странное явление, называемое парадоксом статического трения, оставалось нерешённой проблемой на протяжении десятилетий.
Проблема, на которую помогает ответить новая модель, заключается в том, что для объяснения медленных проскальзываний другие исследователи прибегали к искусственным законам трения или объяснениям, включающим специфические, но вымышленные параметры, такие как переменные состояния.
Новая модель, разработанная Ватанабэ и его соавтором Кэн Накано, профессором факультета экологических и информационных наук Национального университета Йокohama, и опубликованная в 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 обеспечивает новый сценарий для объяснения парадокса статического трения в нестабильности прилипания-скольжения без искусственных законов трения», — сказал Накано, объясняя, что команда теоретически подтвердила свою модель. «Хотя принято считать, что явления трения в целом сложны, их суть может быть намного проще, как показывает эта модель».
Вязкоупругость
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 на поверхности, она примет форму этой поверхности, как вязкая жидкость. Но если быстро потянуть её в двух направлениях, она будет сопротивляться растяжению, а затем порвётся, как упругое твёрдое тело.
Существует несколько различных моделей, описывающих вязкоупругость, сказали исследователи, но они обратились к простейшей версии, называемой вязкоупругим основанием Кельвина-Фойгта. Идея состоит в том, что материал Кельвина-Фойгта в долгосрочной перспективе обладает только упругими свойствами, но сопротивляется быстрым изменениям. К этой модели исследователи добавили жёсткий зонд, который движется вертикально и колеблется горизонтально.
Система скольжения не использует 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».
Исследователи планируют и дальше изучать свою модель и исследовать, как феномен медленного скольжения может дать ключ к разгадке 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 Национальным университетом Йокohama.