A fizika világa súrlódás
Franziska Konitzer 2014. május 19
Eddig a súrlódási erőket nem lehet pontosan kiszámítani vagy megjósolni. Franz Gießibl, a Regensburgi Egyetem podcastunkban elmagyarázta, hogy a tudósok most miként vizsgálják ezt a jelenséget a legkisebb léptékben, mit jelent a súrlódás a mindennapjaink számára, és miért nem működik semmi anélkül. A cikket itt olvashatja el.
A súrlódás az az ellenállás, amely két test érintkezésekor jelentkezik. Ami először kissé elvontnak tűnhet, mindennapjainkban jelen van - a súrlódás már akkor is fontos szerepet játszik, amikor minden reggel felkelünk:
Franz Gießibl: „Tegyük fel, hogy megpróbálsz felkelni az ágyból. Súrlódás nélkül azonnal a fürdőre esne, mivel a súrlódás oldalirányú erőket eredményez, amikor a lábát a padlóra teszi. Súrlódás nélkül a súlypontját mindig pontosan az álló felülete fölött kell tartania. Ez azt jelenti: súrlódás nélkül nem jutsz messzire. "
Franz Gießibl a Regensburgi Egyetemről
Ha két test egymásnak gördül, tapad vagy csúszik, súrlódás következik be - ez viszont hőt termel. Őseink tehát fapálcákat dörzsöltek össze, hogy tüzet hozzanak létre. A súrlódás által termelt hő azonban feleslegesen elveszett energiába kerül. Ezért a súrlódás sok esetben meglehetősen bosszantó jelenség.
„A súrlódás a legtöbb gép problémája, mert energiaveszteséget okoz és a mechanikai energiát hővé alakítja. Ez nem kívánatos, mert ez az energia elvész, és neked is többet kell hűlnöd. "
Leonardo da Vinci már foglalkozott a súrlódás törvényeivel. Eredményeit azonban soha nem tette közzé. Ezért nevezik a súrlódás klasszikus törvényeit Guillaume Amontons francia tudósról, aki 1699-ben egy kezdetben szkeptikus közönség elé tárta őket. Amontons törvényei kimondják, hogy a súrlódási erő egyenesen arányos a két felület érintkezési nyomásával; és hogy a súrlódási erő független a súrlódó felület nagyságától. Attól függően, hogy két test hogyan halad el egymás mellett, a tudósok különbözõ típusú súrlódásokat különböztettek meg: gördülõ súrlódást például az autógumik és az út között, vagy statikus és csúszó súrlódást. A csúszó súrlódást általában könnyebb leküzdeni, mint a statikus súrlódást.
A kabinet a levegőbe ugrik
„Ennek oka, hogy a felületi alkatrészek rezegnek, amikor az egyik test egy másik testre csúszik. Ilyen például egy nehéz szekrény: Ha rezgésre készteti, akkor a súrlódás minimálisra csökken. Elképzelheti, hogy a szekrény kis ugrásokat hajt végre a levegőben. Abban a pillanatban, amikor a szekrény a levegőben van, megszakad az érintkezés a padlóval, és akkor könnyebb mozgatni. "
De mi történik valójában atomi szinten, amikor fékezel, széket mozgatsz vagy gyufát gyújtasz? Franz Gießibl kifinomult módszerrel mérte meg a súrlódást két egyedi atom között.
Súrlódás mérése atomi erőmikroszkóppal
„Két súrlódási partnerünk volt. Az egyik partner egy szilíciumfelület felületi atomja volt. A másik partner az atomerő-mikroszkóp néven ismert csúcsatomja volt, amely a felülettel párhuzamos erőt képes megmérni, nem merőleges. És akkor azt tapasztaltuk, hogy - ha hagyjuk, hogy ez a csúcs oldalirányban rezzenjen a felületen lévő szilícium atom felett, és az amplitúdó meghaladja egy bizonyos értéket - ez a felszíni atom izgatottan rezeg, mint egy gitárhúr. "
Amikor két test kapcsolatba kerül, az egyes atomok az érintkezési pontokban eltérnek a pihenési helyzetüktől: kölcsönhatásba lépnek a másik test atomjaival, és rövid ideig akár kémiai kötéseket is kialakíthatnak.
- Úgy távolítják el őket pihenőhelyükről, mint egy gitárhúrot. Ha kitépsz egy gitárfüzért és elengeded, az újra visszalendül. Ez a rezgés azonban olyan gyors, hogy szemmel már nem érthető meg. Hasonló az atomokkal. Az atomok érintkeznek az érintkezési felületekkel, és eltérülnek a pihenési helyzetüktől. Visszacsattannak a régi nyugalmi helyzetükbe - és ezt terahertz frekvenciával, azaz másodpercenként 10 12-10 15 rezgéssel. "
Milliárd-milliárd atom rezeg
Összehasonlításképpen: Az elektromágneses spektrumban az infravörös sugárzás oszcillál ebben a frekvenciatartományban.
„Ez a mozgás ezután térben rendezetlen, és a szilárd testben lassú áramlással terjed. Ezt hőáramlásnak nevezik, bár valójában semmi sem áramlik - valójában a vibráló atomok rezgésre ösztönzik szomszédaikat. A mozgás azonban teljesen rendezetlen. Milliárd és milliárd atom vibrál minden lehetséges irányban, ami azt jelenti, hogy az energia nem veszett el. De az irányított mozgás rendezetlen mozgássá vált, sok résztvevővel. Ez a súrlódás okozza a mechanikai energia hőenergiává történő átalakulását. "
Súrlódás az egyes atomok között
A hőenergia sok atom rendezetlen mozgásán alapul - egy anyag vagy egy test melegebb, annál gyorsabban mozognak benne az atomok. Egy további lépésben Gießibl és munkatársai megvizsgálták, hogy az atomi felületi szerkezet milyen hatással van a súrlódásra. Érdeklődött, hogy a súrlódási hatások erőssége függ-e az iránytól. A mindennapi életünk makroszkopikus világában ez aligha játszik szerepet - nem mindegy, hogy melyik irányba tolja át a széket a padlón -, de atomszinten mindenképpen van különbség.
„Megvizsgáltunk egy másik szilíciumfelületet. Ez a felület azonban más irányba orientálódott - úgymond más kristályirányba vágták. Ebben az esetben a felszíni atomok párban rendeződnek, hasonlóan a hintalóhoz: két atom csatlakozik egymáshoz, és ezeknek az atomoknak két lába van lefelé. És nagyon hasonlít a hintalóhoz, amelyet könnyedén elhajlíthatok hosszában, de keresztirányban nagyon nehéz, hasonló ezekkel a felszíni atomokkal. "
Az atomok nagyságrendjében, vagyis egy méter milliárdos skálán a súrlódás tehát attól függ, hogy milyen irányba tolja. Ez az úgynevezett anizotrópia vagy irányfüggés a puzzle másik része a súrlódás jelenségének megértésére tett kísérlet során. Mivel még évszázadokkal azután, hogy Amonton bemutatta törvényeit, még mindig lehetetlen kiszámítani a két test közötti súrlódási erőt. Még mindig csak nagyjából meg tudja mérni.
A mikroszkóp csúcsa méri a súrlódást
„A súrlódás törvényei hihetetlenül rosszul vannak meghatározva, különösen, ha összehasonlítjuk azt a pontossággal, amelyet egyébként elérünk a fizikában. Például megkereshetjük a fa és az acél közötti súrlódási együtthatót egy fizikai könyvben, és ez azt mondhatja: 0,1. A súrlódási állandó leírja annak az erőnek a hányadosát, amellyel a testeket egymásnak nyomom, és a súrlódási erőnek, amely a test felületével párhuzamosan érvényesülhet. Ez a 0,1 érték azonban tízszer nagyobb is lehet - a súrlódási együttható tehát sokkal nagyobb lehet, ha a felületek valahogy megváltoznak. Ez csak a probléma összetettségét tükrözi. Milliárd és milliárd atomkapcsolat játszik szerepet, amelyet tulajdonképpen mindannyian külön-külön le kellene írnunk. Sem a bemeneti paraméterek, sem a pontos állapot nem ismert. Ezért nem jó előrejelzéseket tehetünk. "
A súrlódás kiszámíthatatlanságának közvetlen és mindenekelőtt drága hatása van: Végül is minden gépünk és készülékünk jelentős energiaveszteséget okoz a súrlódás miatt. A tudósok ezért azt remélik, hogy a súrlódás jobb megértése révén a mechanikai rendszerek - például a jármű alkatrészei vagy a mikrorendszer-technológiából származó apró alkatrészek - csökkentik a veszteségeket és ezáltal energiát takarítanak meg.