Трение создается, когда две поверхности скользят одна поверх другой. Поскольку это потребляет дополнительную энергию, это так называемое трение скольжения считается досадным, но неизбежным аспектом динамических процессов. Однако, чтобы привести неподвижный объект в движение, его статическое трение должно быть преодолено первым.
В сотрудничестве со своими итальянскими коллегами исследователи из Университета Констанца продемонстрировали, как полностью подавить статическое трение между двумя поверхностями. Это означает, что даже минимальная сила достаточна для перехода объектов в движении. Особенно в микромеханических деталях, где действуют только малые силы, исчезающее статическое трение может привести к чрезвычайно высоким уровням эффективности. Эти результаты были опубликованы в текущем выпуске журнала Physical Review X.
Для перемещения блока из дерева через стол нужно тащить его. Когда Леонардо да Винчи проводил свои опыте и систематически исследовал эту обманчиво простую связь более 500 лет назад, он открыл основные законы трения скольжения. Поскольку трение скольжения обычно генерирует тепло, необходимо постоянно тянет на кусок древесины, чтобы компенсировать потери на трение.
Однако для генерации движения важно в первую очередь не трение скольжения, а статическое трение, которое необходимо преодолеть. Статическое трение обычно больше, чем трение скольжения, и это результат атомной структуры контактных поверхностей, зафиксированных на месте. Поверхности могут освобождаться и двигаться друг против друга только после того, как прикладная сила достигнет адекватных уровней.
Работая с физиками из университетов Милана и Триеста, рабочая группа Университета Констанца под руководством профессора Клеменса Бечингера смогла провести эксперименты и численное моделирование, подтверждающее предсказание, сделанное физиком Сержем Обри в 1980-х годах: он предположил, что если расстояние между частицами на одной поверхности несколько отличается от расстояния между частицами в другой, трение между двумя поверхностями должно полностью исчезнуть. Это, как ожидается, будет действовать, если две поверхности сжимаются вместе. В практическом плане это означало бы, что достаточно случайной малой силы для перемещения куска дерева.
Особенно хорошо это проявляется в идеальных контактах, где обе поверхности абсолютно плоские друг относительно друга. Именно эти типы поверхностей Клеменс Бечингер и его команда смогли создать в модельной системе: используя лазерные лучи и стеклянные сферы в микрометровом диапазоне — так называемые коллоиды, им удалось создать двумерную модель двух поверхностей трения 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, используя три лазерных луча. В результате их суперпозиции образуется светлый кристалл, представляющий собой своего рода оптический «ящик для яиц» с углублениями и гребнями.
«По сравнению с реальными поверхностями эти оптические поверхности имеют дополнительное преимущество в том, что они полностью прозрачны, а это означает, что мы можем напрямую наблюдать за процессами между ними с помощью микроскопа», — говорит доктор Торстен Бразда, который проводил эксперименты для докторской диссертации.
В то время как Обри ограничил свое предсказание на одномерные контакты при нулевых температурах, исследовательское сотрудничество смогло доказать, что расширенные двумерные контакты при комнатной температуре могут также приводиться в движение без статического трения.
Изображение: Thorsten Brazda
«Мы смогли превратить искусственную одномерную установку Обри в реалистичную ситуацию и продемонстрировать, что его идея остается в силе в двумерных системах и при комнатных температурах», — замечает Клеменс Бечингер.
Наблюдение за движением частиц также позволило исследователям понять исчезновение статического трения между коллоидным монослоем и световым кристаллом: оказывается, что коллоидный монослой скручивается очень слабо по отношению к оптической сетке.
Таким образом, частицы не фиксируются на углублениях подложки, от которых им нелегко будет оторваться. Вместо этого некоторые из них позиционируют себя вокруг гребней. Если применяется внешнее усилие, эти частицы не должны выходить из углублений, но смогут свободно перемещаться сразу, как только прикладывается минимальная сила. Статическое трение исчезает.
Больше информации: T. Brazda, A. Silva, N. Manini, A. Vanossi, R. Guerra, E. Tosatti, C. Bechinger. Experimental Observation of the Aubry Transition in Two-Dimensional Colloidal Monolayers. Physical Review X, 2018; 8 (1) DOI: 10.1103/PhysRevX.8.011050