Ученые из Сколтеха раскрыли загадку эффекта сверхскользкости
Выяснилось, что слабое трение подчиняется иным законам, нежели обычное
Альтернативные принципы трения сформулировали ученые Сколковского института науки и технологий. Оказалось, что увеличение веса тела, скользящего по поверхности, не обязательно приводит к увеличению трения. Результаты исследования представлены в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters. Сами ученые отметили, что это открытие является фундаментальным.
Закон трения Амонтона – Кулона интуитивно понимает каждый человек, поскольку его проявления постоянно наблюдаются в повседневной жизни. На протяжении более трех веков считалось, что чем больше вес перемещаемого по поверхности тела, тем сильнее сила трения. Оказалось, что в некоторых случаях это не так: например, вес предмета может увеличиться с килограмма до нескольких тонн, но при этом сила трения останется при ее первоначальном значении.
«Как это ни удивительно, но закон неприменим к случаю так называемой сверхскользкости, когда трение уменьшается до чрезвычайно малых величин. В ее условиях трение на несколько порядков меньше, чем обычно. И тогда оказывается, что оно вообще не зависит от веса тела. Это необычайно интересное явление требует теоретического обоснования», – отмечает первый автор исследования, профессор Сколтеха Николай Бриллиантов, разработавший теоретическое обоснование сверхскользкости.
Разгадать тайну данного явления удалось во время комплексного исследования и серии экспериментов, проведенных группой профессора Альберта Насибулина. Численное моделирование выполнил научный сотрудник Алексей Цуканов из группы профессора Бриллиантова. Ученые раскрыли атомистический механизм, объясняющий независимость силы трения от веса тела, и сформулировали альтернативные законы для сверхскользкости.
Объяснить загадочный феномен простыми словами можно так: сверхскользкость, на атомарном уровне характерная для очень гладких поверхностей, таких как графен, образуется в результате тепловых колебаний, при которых обе поверхности синхронно изгибаются, оставаясь в плотном контакте. Такие колебания требуют минимальной энергии, и на них не влияет весовая нагрузка скользящего тела. Этим и объясняется независимость трения от веса тела.
На основе количественного анализа подобных эффектов и были сформулированы положения о сверхскользкости, представленные в статье ученых из Сколтеха. Несмотря на явные расхождения с законом Амонтона – Кулона, новые объяснения хорошо описывают наблюдаемое явление. Кроме того, выяснилось, что сверхскользкость обладает и другими интересными свойствами – неожиданной зависимостью силы трения от скорости скольжения, температуры и площади соприкосновения.
Предполагается, что понимание таких микроскопических механизмов может послужить основой для создания методов управления сверхслабым трением и его использования во многих устройствах, что приведет к значительной экономии энергии в мировом масштабе.
