Ще Леонардо да Вінчі стверджував, що тертя зростає пропорційно до тиску та контактної поверхні. Проте сучасний експеримент доводить: да Вінчі мав рацію лише частково. Адже сила тертя хоча й пропорційна реальній контактній площі, та не тиску. Тож прийняту теорію фізичного тертя потрібно переглянути.
Тертя зростає пропорційно до масштабів контактної поверхні. Зображення: Weber et al. / Nature Communications, CC-by-sa 4.0.
На тертя витрачається третина всієї енергії в світі. Через це науковці впродовж тривалого часу намагаються зрозуміти, від чого воно залежить і як його можна зменшити. Ще Леонардо да Вінчі знав, що тертя пропорційне тискові. Тобто якщо дві поверхні стиснути вдвічі сильніше, то й тертя між ними зросте вдвічі. Проте цю шкільну істину тепер перевіряють.
Аби зрозуміти тертя, потрібно до нього придивитися ближче. Адже не буває зовсім гладких поверхонь. Навіть на перший погляд гладенькі поверхні на мікроскопічному рівні подібні на Місяць – вкриті крихітними «пагорбами» та «кратерами».
Науковці на чолі з Бартом Вебером (Bart Weber) з Амстердамського університету нещодавно розробили технологію для того, щоби краще роздивитися ці «пагорби». Так вони спробували ретельніше проаналізувати закон да Вінчі.
Аби детальніше дослідити тертя, в експерименті науковці стиснули гладеньку скляну поверхню та шорстку круглу сферу. Скло вони вкрили молекулами, які під тиском світилися. Під мікроскопом вчені могли достатньо точно картувати, де вершини «пагорбів» шорсткої сфери торкатися до скла і як змінювався контакт, коли задіювали більший тиск.
Експеримент: шорстку кулю притискали до гладенької скляної поверхні. Справа — мікроструктура поверхні. Зображення: University of Amsterdam.
Результат: за меншого тиску загоралися лише кілька точок – тобто лише кілька вершин торкалися скла. Якщо тиск посилювали, то зростало і світло, і контактна поверхня. Світло на вже утворених місцях дотику розширювалося, і з’являлися нові контакти з іншими «пагорбами». Причина: через тиск змінювалася еластичність виступів, вони ставали пласкими та захоплювали все більше поверхні.
Проте дещо вчених здивувало: дотепер припускали, що контактна площа збільшується пропорційно до тиску. Якщо збільшити тиск вдвічі, то збільшиться контактна поверхня, а з нею і тертя – так вважав навіть да Вінчі. Але в нещодавньому експерименті це не підтвердилося. Всупереч припущенням, контактна поверхня не зростала пропорційно до тиску. Натомість, досягнувши певного тиску, збільшення контактної поверхні сповільнювалося.
Чи да Вінчі помилився? «По суті, ми з’ясували, що це правило порушується, – сказали Вебер і його колеги. – Статична сила тертя хоча й пропорційна реальній контактній площі, та не тиску».
Причина – еластична деформація матеріалу в мікромасштабі, пояснили вчені. «Вершини пагорбів» поверхонь тиснуть одне на одного та стають щільнішими, коли тиск зростає. Це зміцнення призводить до того, що, досягнувши певного тиску, контактна поверхня зростає повільніше. Таке ущільнення нівелює пряму залежність між тиском і тертям.
Вчені очікують, що практично всі матеріали поводитимуться так, як вони спостерегли під час свого експерименту. Теорію перевірили на штучному органічному склі та тефлоні, й висновки були однаковими. Беручи до уваги нові свідчення, вчені планують розв’язати й проблеми в машинобудуванні.
University of Amsterdam, 05/03/2018
Зреферувала С. К.
06.03.2018