триене

Franziska Konitzer 19 май 2014 г.

Засега силите на триене не могат да бъдат точно изчислени или предсказани. Франц Гисибъл от Университета в Регенсбург обясни в нашия подкаст как учените сега изследват това явление в най-малките мащаби, какво означава триенето за нашето ежедневие и защо нищо не работи без него. Можете да прочетете статията тук.

Триенето се определя като съпротивлението, което възниква, когато две тела са в контакт. Това, което в началото може да звучи малко абстрактно, е вездесъщо в нашето ежедневие - триенето вече играе важна роля, когато ставаме всяка сутрин:

Франц Гисибъл: „Да предположим, че се опитвате да станете от леглото. Без триене веднага бихте паднали на ваната, тъй като триенето ви дава странични сили, когато поставите крака си на пода. Без триене винаги ще трябва да поддържате центъра на тежестта точно над стойката си. Това означава: Без триене няма да стигнете много далеч. "

Франц Гисибъл от Университета в Регенсбург

Ако две тела се търкалят, залепват или плъзгат едно към друго, възниква триене - това от своя страна генерира топлина. Затова нашите предци търкаха дървени пръчки, за да разпалят огън. Въпреки това: топлината, генерирана от триенето, струва енергия, която се губи неизползвана. Следователно триенето е доста досадно явление в много случаи.

„Триенето е неприятност за повечето машини, защото причинява загуби на енергия и преобразува механичната енергия в топлина. Това е нежелателно, тъй като тази енергия се губи и вие също трябва да охлаждате повече. "

Леонардо да Винчи вече се е занимавал със законите на триенето. Той обаче никога не публикува резултатите си. Ето защо класическите закони на триенето са кръстени на френския учен Гийом Амонтонс, който ги представя на първоначално скептична общественост през 1699 година. Законите на Амонтон гласят, че силата на триене е право пропорционална на контактното налягане на двете повърхности; и че силата на триене е независима от размера на повърхността на триене. В зависимост от това как две тела се движат един след друг, учените разграничават различните видове триене: триене при търкаляне между автомобилни гуми и път, например, или статично и триене при плъзгане. Като правило триенето при плъзгане е по-лесно преодолимо от статичното триене.

Кабинетът скача във въздуха

„Това е така, защото повърхностните компоненти вибрират, когато едно тяло се плъзга по друго тяло. Пример за това може да бъде тежък шкаф: Ако го накарате да вибрира, триенето е сведено до минимум. Можете да си представите, че шкафът прави малки скокове във въздуха. В момента, в който шкафът е във въздуха, контактът с пода е счупен и е по-лесно да се премести. "

Но какво всъщност се случва на атомно ниво, когато спирате, премествате стол или запалвате клечка кибрит? Franz Gießibl използва усъвършенстван метод за измерване на триенето между два отделни атома.

Измерване на триенето с атомно-силов микроскоп

„Имахме двама фрикционни партньори. Един от партньорите беше повърхностен атом на силициева повърхност. Другият партньор беше върховият атом от така наречения атомно-силов микроскоп, който може да измерва силата успоредно на повърхността, а не перпендикулярно. И тогава открихме, че - ако оставим този връх да вибрира странично над силициев атом на повърхността и амплитудата надвишава определена стойност - този повърхностен атом се вълнува да вибрира като китарна струна.

Когато две тела влязат в контакт, отделни атоми в допирните точки се отклоняват от позицията им в покой: Те взаимодействат с атомите на другото тяло и дори могат да образуват химически връзки за кратко.

„Те се отстраняват от мястото си за почивка като китарна струна. Ако откъснете струна на китара и я пуснете, тя отново се люлее назад. Това трептене обаче е толкова бързо, че вече не може да се разбере с окото. Подобно е с атомите. Атомите се допират до контактните повърхности и се отклоняват от позициите си в покой. Те щракват обратно в старата си позиция на покой - и то с честота терагерц, т.е. с 10 12 до 10 15 трептения в секунда. "

Милиарди върху милиарди атоми вибрират

За сравнение: В електромагнитния спектър инфрачервеното лъчение е това, което колебае в този честотен диапазон.

„Това движение след това е пространствено разстроено и се разпространява в твърдото тяло с бавен поток. Това се нарича топлинен поток, въпреки че всъщност нищо не тече - всъщност вибриращите атоми стимулират съседите си да вибрират. Движението обаче е напълно разстроено. Милиарди и милиарди атоми вибрират във всички възможни посоки, което означава, че енергията не е загубена. Но режисираното движение се превърна в безпорядък с много участници. Това е триенето, което причинява превръщането на механичната енергия в топлинна енергия. "

Триене между отделни атоми

Топлинната енергия се основава на разстроеното движение на много атоми - материалът или тялото е по-топло, колкото по-бързо се движат атомите в него. В по-нататъшна стъпка Гисибъл и колегите му изследваха какво влияние има структурата на атомната повърхност върху триенето. Интересуваше се дали силата на фрикционните ефекти зависи от посоката. В макроскопичния свят на нашето ежедневие това едва ли ще играе роля - няма значение в каква посока плъзгате стола по пода - но на атомно ниво определено има разлика.

„Изследвахме друга силициева повърхност. Тази повърхност обаче беше ориентирана в различна посока - беше изрязана в друга кристална посока, така да се каже. В този случай повърхностните атоми се подреждат по двойки, подобно на люлеещия се кон: два атома се съединяват и всеки от тези атоми има два крака надолу. И много подобно на люлеещия се кон, който лесно мога да отклоня по дължина, но много трудно в напречната посока, подобно е с тези повърхностни атоми. "

В порядъка на величината на атомите, т.е.при скала от милиардни части от метър, триенето зависи от посоката, в която натискате. Тази така наречена анизотропия или зависимост от посоката е друга част от пъзела в опита да се разбере явлението триене. Тъй като дори векове след като Амонтън представи своите закони, все още е невъзможно да се изчисли силата на триене между две тела. Все още можете да го измервате само грубо.

Върхът на микроскопа измерва триенето

„Законите на триенето са невероятно лошо дефинирани, особено когато сравняваме това с точността, която иначе постигаме във физиката. Например, можем да потърсим коефициента на триене между дърво и стомана в книга по физика и тя може да каже: 0,1. Константата на триене описва коефициента на силата, с която притискам телата едно към друго и силата на триене, която може да преобладава успоредно на повърхността на тялото. Тази стойност от 0,1 обаче може да бъде и десет пъти по-голяма - следователно коефициентът на триене може да бъде много по-голям, ако повърхностите се променят по някакъв начин. Това просто отразява сложността на проблема. Милиарди и милиарди атомни контакти играят роля, която всъщност трябва да опишем всички поотделно. Нито имаме входни параметри, нито знаем точното състояние. Следователно не можем да правим добри прогнози. "

Непредсказуемостта на триенето има преки и най-вече скъпи ефекти: В края на краищата всички наши машини и устройства причиняват значителни загуби на енергия поради триене. Следователно учените се надяват чрез по-добро разбиране на триенето да направят механични системи - като компоненти на превозното средство или малки компоненти от микросистемна технология - по-малки загуби и по този начин да спестят енергия.