Ученым Сколтеха удалось объяснить, почему очень слабое трение подчиняется иным законам, нежели обычное трение, известное нам из школьной программы по физике. Исследователи сформулировали альтернативные законы трения, которые, помимо других необычных закономерностей, 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 приведет к значительной экономии энергии в мировом масштабе.
Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters. На интуитивном уровне нам понятна суть так называемого закона трения Амонтона — Кулона, проявления которого мы постоянно наблюдаем в повседневной жизни. Согласно этому закону, сформулированному более 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 сверхскользкости, 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 одного килограмма до нескольких тонн, но трение не изменится и останется таким же, как при весе в один килограмм. Это необычайно интересное явление требует теоретического обоснования», — отмечает первый автор исследования, профессор Сколтеха Николай Бриллиантов.
Ученые 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.
Группе ученых Сколтеха во главе с Николаем Бриллиантовым удалось разгадать тайну сверхскользкости, выполнив комплексное исследование, которое включало серию экспериментов, проведенных группой профессора Альберта Насибулина, численное моделирование, выполненное научным сотрудником Алексеем Цукановым из группы профессора Бриллиантова, а также теоретическое обоснование феномена сверхскользкости, разработанное самим Бриллиантовым.
Ученые 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.
Объяснить этот загадочный феномен простыми словами можно 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, что затрудняет перемещение двух поверхностей относительно друг друга. Ученые Сколтеха продемонстрировали, 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.
Более того, при скольжении поверхностей относительно друг друга тепловые синхронные колебания образуют «поверхностные складки», которые необходимо «разгладить», чтобы двигаться. Для этого требуется энергия, которая рассеивается в объеме 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, представленные в статье ученых из Сколтеха.