Чтобы переместить деревянный брусок по столу, его нужно потянуть. Когда Леонардо да Винчи систематически исследовал эту обманчиво простую взаимосвязь более 500 лет назад, он открыл основные законы трения скольжения. Поскольку трение скольжения обычно вызывает тепло, нужно постоянно тянуть за кусок дерева, чтобы компенсировать потери на трение. Однако для создания движения в первую очередь необходимо преодолеть не трение скольжения, а трение покоя.
Статическое трение обычно больше, чем трение скольжения, и является результатом атомной структуры контактных поверхностей, фиксирующихся на месте. Поверхности могут высвободиться и двигаться друг относительно друга только после того, как приложенная сила достигнет необходимого уровня.Работая с физиками из университетов Милана и Триеста, рабочая группа Университета Констанца во главе с профессором Клеменсом Бехингером смогла провести эксперименты и численное моделирование, подтвердив предсказание, сделанное физиком Сержем Обри в 1980-х годах: он предположил, что если решетка расстояние между частицами на одной поверхности должно было немного отличаться от шага решетки на другой, трение между двумя поверхностями должно полностью исчезнуть. Ожидается, что это произойдет даже в том случае, если две поверхности будут прижаты друг к другу.
На практике это означало бы, что случайной небольшой силы будет достаточно, чтобы переместить кусок дерева весом в тонны по поверхности.Этот эффект особенно хорошо наблюдается в идеальных контактах, где обе поверхности идеально ровны друг относительно друга.
Именно такие поверхности Клеменс Бехингер и его команда смогли создать в модельной системе: с помощью лазерных лучей и стеклянных сфер в диапазоне микрометров, так называемых коллоидов, они смогли создать двухмерную модель двух поверхностей. трение друг о друга. Поскольку электрически заряженные сферы отталкиваются друг от друга, они располагаются в периодически упорядоченном плоском слое.
Этот коллоидный монослой образует одну из двух поверхностей. Исследователи создали вторую поверхность под слоем коллоидов с помощью трех лазерных лучей. В результате их наложения образуется световой кристалл, представляющий собой своего рода оптический ящик для яиц с выемками и выступами. «По сравнению с реальными поверхностями эти оптические поверхности обладают дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что они полностью прозрачны, что означает, что мы можем непосредственно наблюдать процессы, происходящие между ними, с помощью микроскопа», — говорит Торстен Бразда, доктор наук, проводивший эксперименты в Bechinger. группа для докторской диссертации.В то время как Обри ограничил свое предсказание одномерными контактами при нулевой температуре, исследовательское сотрудничество смогло доказать, что протяженные двумерные контакты при комнатной температуре также могут приводиться в движение без статического трения. «Мы смогли превратить искусственную одномерную установку Обри в реалистичную ситуацию и продемонстрировать, что его идея остается верной в двумерных системах и при конечных температурах», — комментирует Клеменс Бехингер.
Непосредственное наблюдение за движением частиц также позволило исследователям понять исчезновение статического трения между коллоидным монослоем и световым кристаллом: оказывается, что коллоидный монослой очень немного скручивается по отношению к оптической сетке. Таким образом, частицы не застревают в углублениях субстрата, из которых им нелегко выбраться.
Вместо этого некоторые из них располагаются вокруг гребней. Если приложена внешняя сила, этим частицам не нужно выходить из углублений, но они могут сразу же двигаться, как только будет приложена минимальная сила. Статическое трение исчезает.
Эти результаты, которые полностью согласуются с численным моделированием, выполненным итальянской командой, показывают, что статическое трение не только подавляется, но и генерируется по желанию, если контактное давление между двумя поверхностями увеличивается. Это важно, поскольку трение покоя — в отличие от трения скольжения — часто является желательным явлением. Это позволяет нам безопасно захватывать предметы и обеспечивает достаточное сцепление колес с дорогой. Такой способ изменения статического трения создает новые возможности для легкого перемещения объектов по поверхности и их безопасной фиксации на месте.
Это было бы огромным преимуществом в микро- и наномеханических редукторах или муфтах, поскольку здесь обычно действуют только очень небольшие силы.