Lumea fricțiunii fizicii
Franziska Konitzer 19 mai 2014
Până în prezent, forțele de frecare nu pot fi calculate sau prezise cu precizie. Franz Gießibl de la Universitatea din Regensburg a explicat în podcastul nostru cum oamenii de știință investighează acum acest fenomen la cele mai mici scale, ce înseamnă frecare pentru viața noastră de zi cu zi și de ce nimic nu funcționează fără el. Puteți citi articolul aici.
Fricțiunea este definită ca rezistența care apare atunci când două corpuri sunt în contact. Ceea ce poate părea puțin abstract la început este omniprezent în viața noastră de zi cu zi - frecarea joacă deja un rol important atunci când ne trezim în fiecare dimineață:
Franz Gießibl: „Să presupunem că încerci să te ridici din pat. Fără frecare, ați cădea imediat pe baie, deoarece fricțiunea vă oferă forțe laterale atunci când puneți piciorul pe podea. Fără frecare, va trebui întotdeauna să vă mențineți centrul de greutate exact deasupra suprafeței dvs. în picioare. Asta înseamnă: nu veți ajunge foarte departe fără frecare. "
Franz Gießibl de la Universitatea din Regensburg
Dacă două corpuri se rostogolesc, se lipesc sau alunecă unul împotriva celuilalt, se produce frecare - aceasta la rândul său generează căldură. Așa că strămoșii noștri au frecat bețe de lemn pentru a face foc. Cu toate acestea, căldura generată de frecare costă energie care se pierde nefolosită. Prin urmare, frecarea este un fenomen destul de enervant în multe cazuri.
„Fricțiunea este o problemă cu majoritatea mașinilor, deoarece provoacă pierderi de energie și transformă energia mecanică în căldură. Acest lucru este nedorit, deoarece această energie se pierde și, de asemenea, trebuie să vă răcoriți mai mult. "
Leonardo da Vinci s-a ocupat deja de legile fricțiunii. Cu toate acestea, nu și-a publicat niciodată rezultatele. Acesta este motivul pentru care legile clasice ale fricțiunii poartă numele omului de știință francez Guillaume Amontons, care le-a prezentat unui public inițial sceptic în 1699. Legile lui Amontons afirmă că forța de frecare este direct proporțională cu presiunea de contact a celor două suprafețe; și că forța de frecare este independentă de dimensiunea suprafeței de frecare. În funcție de modul în care două corpuri se deplasează unul peste celălalt, oamenii de știință au diferențiat diferite tipuri de frecare: frecare de rulare între anvelopele auto și șosea, de exemplu, sau frecare statică și glisantă. De regulă, frecare glisantă este mai ușor de depășit decât fricțiunea statică.
Cabinetul sare în aer
„Acest lucru se datorează faptului că componentele suprafeței vibrează atunci când un corp alunecă pe alt corp. Un exemplu ar fi un dulap greu: dacă îl faceți să vibreze, fricțiunea este minimizată. Vă puteți imagina că dulapul face mici salturi în aer. În momentul în care dulapul este în aer, contactul cu podeaua este rupt și este apoi mai ușor de mișcat. "
Dar ce se întâmplă de fapt la nivel atomic atunci când frânezi, miști un scaun sau aprinzi un chibrit? Franz Gießibl a folosit o metodă sofisticată pentru a măsura frecarea dintre doi atomi individuali.
Măsurarea fricțiunii cu un microscop de forță atomică
„Am avut doi parteneri de fricțiune. Unul dintre parteneri a fost un atom de suprafață al unei suprafețe de siliciu. Celălalt partener a fost atomul de vârf din ceea ce este cunoscut sub numele de microscop de forță atomică, care poate măsura forța paralelă cu suprafața, mai degrabă decât perpendiculară. Și apoi am constatat că - dacă lăsăm acest vârf să vibreze lateral peste un atom de siliciu de pe suprafață și amplitudinea depășește o anumită valoare - acest atom de suprafață este excitat să vibreze ca o coardă de chitară. "
Când doi corpuri intră în contact, atomii individuali de la punctele de contact sunt deviați din poziția lor de repaus: interacționează cu atomii celuilalt corp și chiar pot forma pe scurt legături chimice.
„Sunt scoși din poziția lor de odihnă ca o coardă de chitară. Dacă smulgi o coardă de chitară și o dai drumul, ea se întoarce din nou. Cu toate acestea, această oscilație este atât de rapidă încât nu mai poate fi înțeleasă cu ochiul. Este similar cu atomii. Atomii ating suprafețele de contact și sunt deviați din pozițiile lor de repaus. Ei fac clic înapoi în vechea lor poziție de odihnă - și asta cu o frecvență de terahertz, adică cu 10 12 până la 10 15 oscilații pe secundă. "
Milioane de miliarde de atomi vibrează
Pentru comparație: în spectrul electromagnetic, radiația infraroșie oscilează în acest interval de frecvență.
„Această mișcare este apoi dezordonată spațial și se propagă cu un flux lent în solid. Aceasta se numește flux de căldură, deși în realitate nu curge nimic - de fapt, atomii care vibrează stimulează vecinii să vibreze. Cu toate acestea, mișcarea este complet dezordonată. Milioane și miliarde de atomi vibrează în toate direcțiile posibile, ceea ce înseamnă că energia nu a fost pierdută. Dar o mișcare dirijată a devenit o mișcare dezordonată cu mulți participanți. Aceasta este fricțiunea care determină conversia energiei mecanice în energie termică. "
Fricțiunea între atomii individuali
Energia termică se bazează pe mișcarea dezordonată a multor atomi - un material sau un corp este mai cald, cu atât atomii se mișcă mai repede în el. Într-un alt pas, Gießibl și colegii săi au investigat ce influență are structura atomică a suprafeței asupra fricțiunii. Ea a fost interesată dacă puterea efectelor de frecare depinde de direcție. În lumea macroscopică a vieții noastre de zi cu zi, acest lucru poate juca cu greu un rol - nu contează în ce direcție glisați scaunul pe podea - dar există cu siguranță o diferență la nivel atomic.
„Am examinat o altă suprafață de siliciu. Cu toate acestea, această suprafață a fost orientată într-o altă direcție - a fost tăiată într-o altă direcție de cristal, ca să spunem așa. În acest caz, atomii de suprafață se aranjează în perechi, asemănător unui cal balansoar: doi atomi se unesc și fiecare dintre acești atomi are două picioare în jos. Și foarte asemănător cu calul balansoar, pe care îl pot devia cu ușurință pe lungime, dar foarte dificil în direcție transversală, este similar cu acești atomi de suprafață. "
În ordinea mărimii atomilor, adică pe o scară de miliardimi de metru, frecarea depinde în totalitate de direcția în care împingeți. Această așa-numită anizotropie, sau dependența de direcție, este o altă piesă a puzzle-ului în încercarea de a înțelege fenomenul fricțiunii. Deoarece chiar și secole după ce Amonton și-a prezentat legile, este încă imposibil să se calculeze forța de frecare dintre două corpuri. Încă îl puteți măsura aproximativ.
Vârful microscopului măsoară fricțiunea
„Legile fricțiunii sunt incredibil de slab definite, mai ales atunci când o comparăm cu precizia pe care altfel o obținem în fizică. De exemplu, putem căuta coeficientul de frecare dintre lemn și oțel într-o carte de fizică și s-ar putea spune: 0,1. Constanta de frecare descrie coeficientul forței cu care apăs corpurile unul împotriva celuilalt și forța de frecare care poate prevala paralel cu suprafața corpului. Cu toate acestea, această valoare de 0,1 poate fi, de asemenea, de zece ori mai mare - coeficientul de frecare poate fi, prin urmare, mult mai mare dacă suprafețele se schimbă cumva. Aceasta reflectă doar complexitatea problemei. Miliarde și miliarde de contacte atomice joacă un rol pe care ar trebui să-l descriem cu toții individual. Nu avem nici parametrii de intrare și nici nu cunoaștem starea exactă. Prin urmare, nu putem face predicții bune ".
Imprevizibilitatea fricțiunii are efecte directe și, mai presus de toate, costisitoare: la urma urmei, există pierderi considerabile de energie în toate mașinile și dispozitivele noastre din cauza fricțiunii. Oamenii de știință speră, prin urmare, printr-o mai bună înțelegere a frecării, ca sistemele mecanice - cum ar fi componentele vehiculului sau componentele minuscule din tehnologia microsistemului - să aibă mai puține pierderi și să economisească astfel energie.