Λύνεται το αίνιγμα της τριβής

Από σελίδα του Physics Web, 20 Σεπτεμβρίου 2001

Η τριβή είναι ένα συνηθισμένο φαινόμενο το οποίο παίζει κεντρικό ρόλο στην καθημερινή ζωή, αλλά οι επιστήμονες ποτέ δεν το κατανόησαν πλήρως. Τώρα δύο φυσικοί συσχέτισαν τις μακροσκοπικές δυνάμεις που εμπλέκονται στην τριβή με τα άτομα των επιφανειών που έρχονται σε επαφή. Οι Michael Marder και Eric Gerde του πανεπιστημίου του Texas στο Austin πιστεύουν ότι το μοντέλο τους θα μπορούσε να περιγράψει το φαινόμενο της τριβής σε συστήματα που ποικίλλουν σε μέγεθος από νανομηχανές έως τον φλοιό της Γης. (E Gerde and M Marder 2001 Nature 413 285).

Πάνω από 200 χρόνια πριν, οι Amontons και Coulomb βρήκαν ότι η δύναμη που χρειάζεται για να σπρώξουμε και να μετακινήσουμε ένα αντικείμενο κατά μήκος μιας επιφάνειας, εξαρτάται από τη μάζα του αντικειμένου, αλλά δεν εμφανίζεται να εξαρτάται από το εμβαδόν της επιφάνειας επαφής.

Μικροσκοπικά εξογκώματα και εσοχές των επιφανειών έχου θεωρηθεί παραδοσιακά υπεύθυνα για τα φαινόμενα της τριβής. Οι μικροανωμαλίες αυτές κάνουν την πραγματική επιφάνεια επαφής πολύ μικρότερη απ' ότι φαίνεται, και αυτή η πραγματική επιφάνεια επαφής είναι πολύ δύσκολο να μετρηθεί. Η μάζα του αντικειμένου δημιουργεί πίεση στην επιφάνεια επαφής και συμπιέζει τα μικροεξογκώματα, αυξάνοντας έτσι την πραγματική επιφάνεια επαφής.

Για να φτάσουν σε μια καλύτερη κατανόηση, πως τα μικροσκοπικά φαινόμενα καθορίζουν την μακροσκοπική συμπεριφορά, οι Marder και Gerde επέκτειναν μια θεωρία που ήδη υπήρχε και περιέγραφε πως οι ρωγμές δημιουργούνται και διαδίδονται σε άλλα υλικά. Βρήκαν ότι μικρορωγμές - όμοιες με τις μετατοπίσεις σε κρυσταλλικά υλικά - δημιουργούνταν στην πλεγματική δομή των υλικών στο όριο μεταξύ των εφαπτόμενων επιφανειών.

Αν και αυτές οι ρωγμές εμφανίζονται να μετακινούνται, σαν τις πτυχές σε ένα χαλάκι, καθώς σπρώχνουμε το αντικείμενο, το πίσω μέρος κάθε ρωγμής, στην πραγματικότητα κλείνει μόνο του ενώ το μπροστινό μέρος της ρωγμής ανυψώνεται και μεγενθύνεται. Ακριβώς σαν τις πτυχές σε ένα χαλάκι, οι μικρορωγμές ελαττώνουν την επιφάνεια επαφής μεταξύ των 2 επιφανειών και κάνουν ευκολώτερο το γλίστρημα της μιας σε σχέση με την άλλη.

Η εξομοίωση ατομικής κλίμακας επιβεβαίωσε επίσης ότι η δύναμη που χρειάζεται για να γλιστρήσει ένα αντικείμενο πάνω σε ένα άλλο είναι ανάλογη με τη δύναμη που συμπιέζει τις επιφάνειες σε επαφή. Η δύναμη αυτή καθορίζεται από το βάρος του σώματος που βρίσκεται πάνω από το άλλο. Η σχέση αυτή προβλεπόταν και από την προηγούμενη θεωρία η οποία στηριζόταν στα μικροεξογκώματα.

Οι μικρορωγμές θα μπορούσαν επίσης να λύσουν ένα παλιό γεωφυσικό αίνιγμα, σύμφωνα με τους Marder και Gerde. Αν υπάρχουν μικρορωγμές μεταξύ των τεκτονικών πλακών, αυτές θα ελάττωναν την επιφάνεια επαφής και θα εξηγούσαν γιατί οι σεισμοί παράγουν πολύ λιγότερο ποσόν θερμότητας απ' ότι προβλέπουν οι υπολογισμοί.

Ο Marder επίσης εικάζει ότι η θεωρία θα μπορούσε να εφαρμοστεί με επιτυχία και στο άλλο άκρο της κλίμακας: " Μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τις τριβές λόγω ολίσθησης στις νανομηχανές. Εκεί είναι άκρως επιθυμητή η ολίσθηση που δεν θα οδηγεί σε καταστροφή και ο μηχανισμός που προτείνουμε για την τριβή δεν οδηγεί σε φθορά."