Ученые Сколтеха смогли объяснить, почему очень слабое трение и обычное трение, известное нам из школьной программы по физике, поддаются разным законам. Для этого исследователи сформулировали альтернативные законы трения. Помимо других необычных закономерностей, они показывают, что увеличение веса тела, скользящего по поверхности, не обязательно приводит к увеличению трения.
Понимание микроскопических механизмов трения может послужить основой для создания методов управления сверхслабым трением и его использования во многих механизмах, что приведёт к значительной экономии энергии в мировом масштабе, уверены ученые.
По закону трения Амонтона — Кулона, сформулированному больше 300 лет назад, чем больше вес перемещаемого по поверхности тела, тем больше трение.
«Как это ни удивительно, но 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 1 килограмма до нескольких тонн, но трение не изменится и останется таким же, как при весе в 1 килограмм. Это необычайно интересное явление требует теоретического обоснования», — рассказала первый автор исследования, профессор Сколтеха Николай Бриллиантов.
Исследователи обнаружили, что сверхскользкость обладает и другими интересными свойствами, противоречащими привычному закону Амонтона — Кулона. Одно из них — неожиданная зависимость силы трения от скорости скольжения, температуры и площади соприкосновения.
Ученые Сколтеха смогли разгадать тайну сверхскользкости, выполнив комплексное исследование, которое включало серию экспериментов, численное моделирование, а также теоретическое обоснование этого феномена. Исследователи раскрыли атомистический механизм, объясняющий независимость силы трения от веса тела, и сформулировали альтернативные законы трения для сверхскользкости. Несмотря на явные расхождения с законом Амонтона — Кулона, новые законы хорошо описывают наблюдаемое явление.
Сам феномен специалисты объяснили так. Сверхскользкость характерна для очень гладких поверхностей, гладких на атомарном уровне. Такую поверхность имеет, например, знаменитый двумерный углеродный материал графен. Более того, соприкасающиеся поверхности должны обладать разными рисунками шероховатости на атомарном уровне: 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. Но трение может возникать и в результате тепловых колебаний. Тепловые колебания поверхностей при контакте заметно увеличивают их шероховатость на атомарном уровне, это затрудняет перемещение двух поверхностей относительно друг друга. В Сколтехе показали, что важны не все температурные колебания, а лишь те, при которых 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.
Кроме того, при скольжении поверхностей относительно друг друга тепловые синхронные колебания образуют «поверхностные складки», которые необходимо «разгладить», чтобы двигаться. Для этого нужна энергия, которая рассеивается в объёме материала в виде тепла, что приводит к возникновению диссипативной силы трения, пропорциональной скорости движения. Чем выше температура поверхностей, тем больше амплитуда синхронных колебаний. 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.
Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
