Светот на триење на физиката
Франциска Коницер 19.05.2014 г.
Досега, силите на триење не можат прецизно да се пресметаат или предвидат. Франц Гизибл од Универзитетот во Регенсбург објасни во нашиот подкаст како научниците сега ја испитуваат оваа појава на најмалите размери, што значи триењето за нашето секојдневие и зошто ништо не работи без тоа. Написот можете да го прочитате овде.
Триењето се дефинира како отпор што се јавува кога две тела се во контакт. Она што на почетокот може да звучи малку апстрактно, е сеприсутно во нашето секојдневие - триењето веќе игра важна улога кога стануваме секое утро:
Франц Гишибл: „Да претпоставиме дека се обидувате да станете од кревет. Без триење, вие веднаш би паднале на бањата, бидејќи триењето ви дава странични сили кога ќе ја ставите ногата на подот. Без триење, секогаш би морале да го одржувате вашиот центар на гравитација точно над вашата стоечка површина. Тоа значи: Нема да стигнете многу далеку без триење “.
Франц Гишибл од Универзитетот во Регенсбург
Ако две тела се тркалаат, лепат или се лизгаат едни против други, се јавува триење - ова за возврат генерира топлина. Значи, нашите предци нанесуваат дрвени стапови заедно за да направат оган. Сепак: Топлината создадена од триење чини енергија што се губи неискористена. Затоа, триењето е прилично вознемирувачки феномен во многу случаи.
„Триењето е проблем кај повеќето машини затоа што предизвикува загуби на енергија и ја претвора механичката енергија во топлина. Ова е непожелно затоа што оваа енергија е изгубена и исто така мора да се ладите повеќе “.
Леонардо да Винчи веќе се занимаваше со законите за триење. Сепак, тој никогаш не ги објави своите резултати. Ова е причината зошто класичните закони за триење се именувани по францускиот научник Гијом Амонтон, кој ги воведе во почетокот на скептичната јавност во 1699 година. Законите на Амонтони наведуваат дека силата на триење е директно пропорционална на притисокот на контактот на двете површини; и дека силата на триење е независна од големината на површината на триење. Во зависност од начинот на кој две тела се движат едни покрај други, научниците разликуваа различни видови триење: триење на тркалање помеѓу автомобилски гуми и пат, на пример, или статичко и лизгачко триење. Како по правило, лизгачкото триење е полесно да се надмине отколку статичкото триење.
Орманот скока во воздухот
„Ова е затоа што компонентите на површината вибрираат кога едно тело се лизга на друго тело. Пример би бил тежок ормар: Ако го направите да вибрира, триењето е сведено на минимум. Можете да замислите дека кабинетот прави мали скокови во воздухот. Во моментот кога орманот е во воздухот, контактот со подот е расипан и тогаш е полесно да се движите “.
Но, што всушност се случува на атомско ниво кога сопирате, лудувате стол или палите натпревар? Франц Гишибл користел софистициран метод за мерење на триењето помеѓу два индивидуални атома.
Мерење на триење со микроскоп на атомска сила
„Имавме двајца партнери за триење. Еден од партнерите бил атом на површината на силициумската површина. Другиот партнер бил атомот на врвот од познат како микроскоп за атомска сила, што може да ја измери силата паралелна на површината отколку нормално. И тогаш откривме дека - ако го оставиме овој врв да вибрира странично над силициумскиот атом на површината и амплитудата надминува одредена вредност - овој атом на површината е возбуден да вибрира како жица на гитара “.
Кога две тела стапуваат во контакт, одделни атоми на точките на контакт се одвлекуваат од нивната позиција за одмор: Тие комуницираат со атомите на другото тело и можат дури и да формираат хемиски врски за кратко време.
„Тие се отстранети од нивната позиција за одмор како жица од гитара. Ако откинете жица од гитара и ја пуштите, таа се враќа назад. Сепак, оваа осцилација е толку брза што повеќе не може да се разбере со око. Слично е и со атомите. Атомите ги допираат контактните површини и се одвлекуваат од нивните позиции на мирување. Тие кликнуваат назад во нивната стара позиција на одмор - и тоа со фреквенција на терахерци, т.е. со 10 од 12 до 10 15 осцилации во секунда ".
Милиарди и милијарди атоми вибрираат
За споредба: Во електромагнетниот спектар, инфрацрвеното зрачење осцилира во овој опсег на фреквенција.
„Ова движење потоа е просторно нарушено и се шири со бавен проток на цврстата материја. Ова е познато како проток на топлина, иако во вистината ништо не тече - всушност, вибрирачките атоми ги стимулираат соседите да вибрираат. Сепак, движењето е целосно нарушено. Милјарди и милијарди атоми вибрираат во сите можни насоки, што значи дека енергијата не е изгубена. Но, насоченото движење стана нарушено движење со многу учесници. Тоа е триењето што предизвикува претворање на механичката енергија во топлинска енергија “.
Триење помеѓу одделни атоми
Топлинската енергија се базира на нарушено движење на многу атоми - материјал или тело е потопло, толку побрзо се движат атомите во него. Во понатамошен чекор, Гишибл и неговите колеги испитале какво влијание има структурата на атомската површина врз триењето. Ја интересираше дали јачината на ефектите од триење зависи од насоката. Во макроскопскиот свет на нашето секојдневие ова тешко може да игра улога - не е важно во која насока ќе го лизнете столот преку подот - но на атомско ниво дефинитивно постои разлика.
„Испитавме друга силиконска површина. Сепак, оваа површина беше ориентирана во друга насока - се сече во поинаква кристална насока, така да се каже. Во овој случај, атомите на површината се распоредуваат во парови, слично на коњот што се лула: два атома се спојуваат заедно и секој од овие атоми има по две нозе надолу. И многу сличен на лулавиот коњ, кој лесно можам да го отклонам во надолжната насока, но многу тежок во попречната насока, слично е и со овие атоми на површината “.
Според редоследот на големината на атомите, т.е. во размер од милијардити дел од метар, триењето зависи од насоката во која туркате. Оваа таканаречена анизотропија или зависност од насоката е уште еден дел од сложувалката во обидот да се разбере феноменот на триење. Бидејќи дури и со векови откако Амонтон ги претстави своите закони, сè уште е невозможно да се пресмета силата на триење помеѓу две тела. Сè уште можете само грубо да го измерите.
Врвот на микроскоп мери триење
„Законите за триење се неверојатно лошо дефинирани, особено кога тоа ќе го споредиме со прецизноста што инаку ја постигнуваме во физиката. На пример, можеме да бараме коефициент на триење помеѓу дрво и челик во книга за физика и може да каже 0,1. Констанцата за триење го опишува количникот на силата со која ги притискам телата едни на други и силата на триење што може да преовладува паралелно со површината на телото. Сепак, оваа вредност од 0,1 може да биде и десет пати поголема - коефициентот на триење може да биде многу поголем ако површините некако се променат. Тоа само ја отсликува комплексноста на проблемот. Милјарди и милијарди атомски контакти играат улога што всушност треба сите да ја опишеме индивидуално. Ние ниту ги имаме влезните параметри ниту ја знаеме точната состојба. Затоа, не можеме да правиме добри предвидувања “.
Непредвидливоста на триењето има директни и, пред сè, скапи ефекти: На крајот на краиштата, сите наши машини и уреди предизвикуваат значителни загуби на енергија како резултат на триење. Научниците се надеваат дека, преку подобро разбирање на триењето, ќе направат механички системи - како што се компоненти на возилото или ситни компоненти од технологијата на микросистемот - помали загуби и со тоа ќе заштедат енергија.