Физическое открытие объясняет, почему скрипят кроссовки.
Сложно представить себе просмотр баскетбольного матча без звука трения кроссовок о площадку. Высокие звуки так же легко узнаваемы, как и неизбежны — благодаря физике трения. Но несмотря на то, что подобные звуки слышны далеко за пределами игр НБА, например, при визге шин, износе велосипедных тормозов и стеклоочистителей, исследований детальной динамики скрипучих поверхностей на удивление мало.
Исследователи знают, что звуки возникают из-за трения скольжения — регулярных циклов прилипания и перемещения двух объектов друг по другу. Однако это объяснение не охватывает все факторы. Чтобы узнать больше о динамике, международная исследовательская группа недавно подробно изучила эти физические взаимосвязи. Их выводы, опубликованные сегодня в журнале Nature, раскрывают невиданную ранее динамику, которая одновременно объясняет механику скрипа, а также открывает новые возможности для создания более совершенных материалов и даже в сейсмологии.
«Этот проект начался с простого вопроса: почему скрипят баскетбольные кроссовки?» — сказал в заявлении Адель Джеллули, соавтор исследования и учёный-материаловед в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук (SEAS).
Для поиска ответа команде Джеллули пришлось полагаться на передовые технологии, а также черпать вдохновение у Леонардо да Винчи. Среди многочисленных достижений мыслителя XV века он известен тем, что придумал наклонную конструкцию для своих экспериментов по изучению физики трения.
Опираясь на более чем 500-летние исследования трения, команда использовала визуализацию внутреннего отражения в сочетании с камерами, способными записывать со скоростью один миллион кадров в секунду, чтобы задокументировать смещение точек контакта между резиновыми подошвами кроссовок и стеклянной поверхностью. Тем временем специальные инструменты измеряли звук, производимый при каждом крошечном скрипе.
Удивительно, но результаты противоречили давно устоявшимся теориям о событиях скольжения. Вместо того чтобы происходить случайным образом, частоты скрипучих звуков определяются частотой повторения распространяющихся импульсов. Эта скорость повторения, в свою очередь, зависит от жёсткости и толщины резиновой подошвы кроссовок. Дополнительные эксперименты с резиновыми блоками с плоскими гранями на стекле также привели к гораздо более сложным и нерегулярным импульсам шума, напоминающим более широкие, свистящие звуки. Это доказало, что геометрия является важным фактором в генерации трения со скрипом.
«Мы были удивлены, что крошечные особенности поверхности могут так сильно реорганизовать фрикционное движение», — добавил соавтор исследования и учёный-материаловед из Ноттингемского университета Габриэле Альбертини. «Эти результаты опровергают предположение о том, что трение можно полностью описать упрощёнными одномерными моделями».
Визуализация фрикционного интерфейса при скольжении баскетбольной обуви. Источник: Адель Джеллули / Лаборатория Бертольди в Гарварде.
Джеллули, Альбертини и их коллеги в конце концов настолько хорошо разобрались в этих взаимосвязях, что смогли расположить резиновые блоки на разной высоте и вручную сыграть тему Дарта Вейдера из «Звёздных войн».
По совпадению, команда обнаружила ещё одно следствие трения, которое напомнило события в далёкой-далёкой галактике. Время от времени импульсы скольжения создавали трибоэлектрические разряды — по сути, крошечные вспышки силы. Помимо разработки более тихих кроссовок, новые открытия помогут улучшить некоторые из самых передовых инженерных материалов в мире.
«Настройка фрикционного поведения на лету была давней инженерной мечтой», — объяснила учёный-материаловед SEAS и соавтор исследования Катя Бертольди. «Это новое понимание того, как геометрия поверхности управляет импульсами скольжения, открывает путь для создания настраиваемых фрикционных метаматериалов, которые могут переходить из состояния с низким трением в состояние с высоким сцеплением по требованию».
Последствия также касаются гораздо более крупных объектов. Та же физика импульсного скольжения наблюдается во время землетрясений, когда тектонические разломы производят высокоскоростные разрывы, которые иногда движутся быстрее скорости звука.
«Эти результаты объединяют две традиционно не связанные области: трибологию мягких материалов и динамику землетрясений», — сказал физик Шмуэль Рубинштейн. «Обычно считается, что мягкое трение происходит медленно, однако мы показываем, что скрип кроссовок может распространяться так же быстро, как и разрыв геологического разлома, а иногда и быстрее, и что их физика поразительно схожа».