Международная команда инженеров и физиков представила исследование, раскрывающее природу скрипа спортивной обуви. Ученые использовали высокоскоростные камеры и прозрачные акриловые панели, чтобы зафиксировать процессы, происходящие в зоне контакта подошвы с полом в момент скольжения.
Скрип кроссовок и тектоника плит. Сходство между кроссовками и тектоническими плитами хотя и выглядит неожиданно, но оно глубокое. В обоих случаях происходит быстрое распространение импульсов сдвига вдоль границы раздела. В физике это называется динамическим разрывом. Когда кроссовка скользит по паркету, возникающие импульсы имитируют то, как сейсмические волны проходят через земную кору. Изучение этих процессов в лаборатории позволяет ученым строить математические модели для объектов масштабом в десятки километров, что критически важно для предсказания поведения разломов во время реальных подземных толчков.
В поисках ответов авторы обратились к классическим экспериментам Леонардо да Винчи конца XV века. Великий изобретатель использовал деревянные блоки и систему грузов, чтобы сформулировать фундаментальные законы трения: его сила пропорциональна нагрузке и почти не зависит от площади контакта.
Но современные полимеры в экстремальных режимах скольжения ведут себя сложнее. С помощью съемки на скорости до миллиона кадров в секунду исследователи обнаружили, что звук рождают не просто резкие сдвиги материала, а микроскопические волны отслоения — «морщины», которые проносятся вдоль границы раздела со скоростью около 100 метров в секунду. Именно эти импульсы, возникающие в зоне контакта, заставляют подошву «петь», в то время как основная часть резины остается неподвижной относительно пола. Работа опубликована в журнале Nature.
Ученые показали, что геометрия протектора напрямую влияет на чистоту звука. Идеально гладкая поверхность издает хаотичный шум, напоминающий отклеивание липкой ленты. Напротив, наличие ребер и узоров на подошве упорядочивает движение микроскопических волн, превращая шум в отчетливую «музыку». Ученые установили, что высота резинового блока или толщина подошвы определяет высоту тона, в то время как скорость игрока или его вес практически не влияют на частоту звука.
Укрощение акустики и настольные землетрясения
Понимание этого механизма открывает путь к созданию бесшумной спортивной обуви. Для этого необходимо проектировать сложные рисунки протектора, которые сохраняют надежное сцепление, но разбивают процесс скольжения на множество мелких, несинхронных микрособытий. Это позволит «заглушить» чистую ноту скрипа, оставив лишь тихий шорох.
Но область применения открытия гораздо шире производства кроссовок: это и борьба со звуками в тормозных системах, и снижение износа в протезах суставов, где полимеры скользят по керамике. «Наша работа закладывает основу для контроля или подавления скрипа во многих механических системах, где мягкие детали трутся о жесткие», — отмечают ученые.
Кроме того, физика этих процессов поразительно напоминает динамику тектонических разломов. Лабораторные модели скольжения резины служат миниатюрными копиями землетрясений, помогая ученым лучше интерпретировать сейсмические сигналы и точнее оценивать риски природных катастроф, понимая, как именно происходит разрыв глубоко под землей.