Учёные из «Сколтеха» заявили, что могут объяснить, почему очень слабое трение подчиняется другим законам, в отличие от обычного трения, известного из школьной программы по физике. Исследователи сформулировали альтернативные законы трения, включая то, что увеличение веса тела, скользящего по поверхности, необязательно приводит к увеличению трения. Понимание микроскопических механизмов трения может послужить основой для создания методов управления сверхслабым трением и его использования во многих механизмах. Это приведёт к экономии энергии в мировом масштабе, пояснили информационной службе Хабра в пресс‑службе «Сколтеха». Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
По закону трения Амонтона‑Кулона, сформулированному более 300 лет назад, чем больше вес перемещаемого по поверхности тела, тем больше трение. По словам первого автора исследования, профессора «Сколтеха» Николая Бриллиантова, этот закон неприменим к случаю так называемой сверскользкости, когда трение уменьшается до чрезвычайно малых величин. В условиях сверхскользкости трение на несколько порядков меньше, чем при обычных условиях. И тогда оказывается, что оно вообще не зависит от веса тела. Можно увеличить вес в тысячи раз, например с килограмма до нескольких тонн, но трение не изменится и останется таким же, как при весе в 1 килограмм. Это явление требует теоретического обоснования, пояснил учёный.
Специалисты обнаружили, что сверхскользкость обладает и другими интересными свойствами, противоречащими закону Амонтона‑Кулона. Одно из них представляет собой зависимость силы трения от скорости скольжения, температуры и площади соприкосновения.
Учёные смогли объяснить законы сверхскользкости. Для этого было выполнено комплексное исследование. Оно включало серию экспериментов, численное моделирование и теоретическое обоснование феномена сверхскользкости. Специалисты раскрыли атомистический механизм, объясняющий независимость силы трения от веса тела, и сформулировали альтернативные законы трения для сверхскользкости. По словам исследователей, несмотря на явные расхождения с законом Амонтона‑Кулона, новые законы хорошо описывают наблюдаемое явление.
Как рассказали информационной службе Хабра в пресс‑службе «Сколтеха», сверхскользкость характерна для очень гладких на атомарном уровне поверхностей, например, двумерный углеродный материал графен. Также соприкасающиеся поверхности должны обладать разными рисунками шероховатости на атомарном уровне, поэтому выпуклости на одной поверхности не должны соответствовать углублениям на другой. Если они совпадут, поверхности прочно сцепятся и без значительного усилия скольжения не будет. А поверхности с несовпадающими шероховатостями не сцепляются и скользят легко.
Однако трение может возникать и в результате тепловых колебаний. Тепловые колебания поверхностей при контакте увеличивают их шероховатость на атомарном уровне, что затрудняет перемещение двух поверхностей относительно друг друга.
Учёные провели эксперимент, в котором были важны не все температурные колебания, а лишь те, где обе поверхности синхронно изгибаются, оставаясь в плотном контакте. Такие колебания требуют минимальной энергии и не зависят от весовой нагрузки скользящего тела. Этим и объясняется независимость трения от веса тела.
При скольжении поверхностей относительно друг друга тепловые синхронные колебания образуют «поверхностные складки», которые необходимо «разгладить» для дальнейшего движения. Для этого требуется энергия, рассеивающаяся в материале в виде тепла, что приводит к возникновению диссипативной силы трения, пропорциональной скорости движения. Чем выше температура поверхностей, тем больше амплитуда синхронных колебаний. Кроме того, чем больше площадь контакта, тем больше число поверхностных колебаний, препятствующих движению поверхностей относительно друг друга. На основе количественного анализа этих эффектов и были сформулированы законы сверхскользкости.
