В понимании трения решающую роль играет концепция шероховатости поверхности. В молекулярном масштабе почти все поверхности шероховатые: со стороны такая поверхность выглядит как горный пейзаж. Трение возникает только в тех местах, где самые высокие вершины двух скользящих поверхностей соприкасаются друг с другом.
Чтобы подробно изучить этот процесс, исследователи разработали модельный эксперимент, в котором шероховатая сферическая поверхность соприкасается с плоской стеклянной поверхностью. Особенностью этого эксперимента было то, что на поверхность стекла был добавлен один слой контактно-чувствительных молекул красителя. Эти молекулы излучают флуоресцентный свет при приложении к ним давления.
Это позволило исследователям очень точно определить, где шероховатая сферическая поверхность соприкасается с плоской стеклянной поверхностью (см. Рис.
1) и как контакт меняется при увеличении давления.Когда прикладывается большая нормальная сила (давление), «вершины холмов» на сферической поверхности становятся более плоскими, что приводит к увеличению площади контакта между сферой и стеклянной пластиной.
Обычная интерпретация пропорциональности Да Винчи между трением и нормальной силой состоит в том, что обе силы пропорциональны этой площади контакта: приложение двойного давления приводит к удвоению площади контакта и, следовательно, к удвоенному трению. Несколько теорий предсказывают связь между площадью контакта и нормальной силой, но пока эти теории не могут быть проверены с высокой точностью. Теперь исследователи показывают, что существующие теории не оправдывают ожиданий: трение пропорционально площади контакта, как и ожидалось, но площадь контакта оказывается не пропорциональной нормальной силе.Результаты исследования показывают, что лучшее понимание трения требует изменений в существующих моделях, чтобы можно было воспроизвести измеренное соотношение между площадью контакта и нормальной силой.
Результаты были опубликованы на этой неделе в Nature Communications.