Svet fyzikálneho trenia
Franziska Konitzer 19. mája 2014
Trecie sily sa zatiaľ nedajú presne vypočítať ani predvídať. Franz Gießibl z Regensburgskej univerzity v našom podcaste vysvetlil, ako vedci v súčasnosti skúmajú tento jav v najmenších mierkach, čo znamená trenie pre náš každodenný život a prečo bez neho nič nefunguje. Článok si môžete prečítať tu.
Trenie je definované ako odpor, ktorý vzniká pri kontakte dvoch telies. To, čo môže spočiatku znieť trochu abstraktne, je v našom každodennom živote všadeprítomné - trenie už hrá dôležitú úlohu, keď vstávame každé ráno:
Franz Gießibl: „Predpokladajme, že sa snažíte vstať z postele. Bez trenia by ste okamžite spadli na kúpeľ, pretože trenie vám poskytne bočné sily, keď položíte nohu na podlahu. Bez trenia by ste vždy museli držať svoje ťažisko presne nad stojatou plochou. To znamená: Bez trenia sa veľmi ďaleko nedostanete. ““
Franz Gießibl z univerzity v Regensburgu
Ak sa dve telá valia, lepia alebo sa proti sebe kĺžu, dôjde k treniu - to zase vytvára teplo. Naši predkovia teda treli drevené palice, aby vytvorili oheň. Avšak: Teplo generované trením stojí energiu, ktorá sa stratí nevyužitá. Preto je trenie v mnohých prípadoch dosť nepríjemným javom.
„Trenie je nepríjemnosťou pre väčšinu strojov, pretože spôsobuje energetické straty a premieňa mechanickú energiu na teplo. To je nežiaduce, pretože táto energia sa stráca a musíte tiež viac chladiť. ““
Leonardo da Vinci sa už zaoberal zákonmi trenia. Jeho výsledky však nikdy nezverejnil. Preto sú klasické zákony trenia pomenované po francúzskom vedcovi Guillaume Amontonsovi, ktorý ich v roku 1699 predstavil pôvodne skeptickej verejnosti. Amontonove zákony stanovujú, že trecia sila je priamo úmerná kontaktnému tlaku dvoch povrchov; a že trecia sila je nezávislá od veľkosti trecej plochy. Podľa toho, ako sa dve telá pohybujú okolo seba, vedci rozlišovali rôzne typy trenia: valivé trenie napríklad medzi pneumatikami automobilov a vozovkou, alebo statické a klzné trenie. Kĺzavé trenie sa spravidla prekonáva ľahšie ako statické trenie.
Skriňa skáče do vzduchu
„Je to preto, že povrchové komponenty vibrujú, keď sa jedno telo posúva po inom tele. Príkladom môže byť ťažká skrinka: Ak ju necháte vibrovať, trenie je minimalizované. Môžete si predstaviť, že skrinka robí malé skoky vo vzduchu. V okamihu, keď je skrinka vo vzduchu, dôjde k prerušeniu kontaktu s podlahou a je potom ľahšie sa s ňou pohybovať. ““
Čo sa však v skutočnosti deje na atómovej úrovni, keď zabrzdíte, posuniete stoličku alebo zapálite zápalku? Franz Gießibl použil sofistikovanú metódu na meranie trenia medzi dvoma jednotlivými atómami.
Meranie trenia pomocou mikroskopu s atómovou silou
"Mali sme dvoch trecích partnerov." Jedným z partnerov bol povrchový atóm povrchu kremíka. Druhým partnerom bol atóm špičky z mikroskopu atómovej sily, ktorý dokáže merať silu paralelne s povrchom a nie kolmo. A potom sme zistili, že - ak necháme tento hrot vibrovať nabok cez atóm kremíka na povrchu a amplitúda presiahne určitú hodnotu - tento povrchový atóm bude vibrovať ako gitarová struna. ““
Keď sa dve telá dostanú do kontaktu, jednotlivé atómy v bodoch kontaktu sa odklonia z pokojovej polohy: Interagujú s atómami druhého tela a môžu dokonca krátko vytvárať chemické väzby.
"Sú odstránení z pokojovej polohy ako gitarová struna." Ak strhnete gitarovú strunu a pustíte ju, znova sa otočí. Táto oscilácia je však taká rýchla, že ju už nemožno pochopiť okom. Podobné je to s atómami. Atómy sa dotýkajú kontaktných plôch a sú odklonené od svojej pokojovej polohy. Kliknú späť do svojej starej pokojovej polohy - a to s frekvenciou terahertzov, t. J. S 10 12 až 10 15 osciláciami za sekundu. “
Vibrujú miliardy až miliardy atómov
Pre porovnanie: V elektromagnetickom spektre kmitá v tomto frekvenčnom rozsahu infračervené žiarenie.
"Tento pohyb je potom priestorovo neusporiadaný a šíri sa pomalým tokom v tuhej látke." Toto sa nazýva tepelný tok, aj keď v skutočnosti nič neprúdi - vibračné atómy v skutočnosti stimulujú svojich susedov, aby vibrovali. Pohyb je však úplne neusporiadaný. Miliardy a miliardy atómov vibrujú všetkými možnými smermi, čo znamená, že energia sa nestratila. Z riadeného hnutia sa však stalo narušené hnutie s mnohými účastníkmi. To je trenie, ktoré spôsobuje premenu mechanickej energie na tepelnú. ““
Trenie medzi jednotlivými atómami
Tepelná energia je založená na neusporiadanom pohybe mnohých atómov - materiál alebo telo je teplejšie, tým rýchlejšie sa atómy v ňom pohybujú. V ďalšom kroku Gießibl a jeho kolegovia skúmali, aký vplyv má štruktúra atómového povrchu na trenie. Zaujímalo ju, či sila trecích účinkov závisí od smeru. V makroskopickom svete nášho každodenného života to môže ťažko hrať rolu - nezáleží na tom, akým smerom posuniete stoličku po podlahe - ale na atómovej úrovni určite existuje rozdiel.
"Preskúmali sme ďalší povrch kremíka." Tento povrch bol však orientovaný iným smerom - bol takpovediac vyrezaný v inom kryštalickom smere. V tomto prípade sa povrchové atómy usporiadajú do párov, podobne ako hojdací kôň: dva atómy sa spoja a každý z týchto atómov má dve nohy dole. A veľmi podobný hojdaciemu koňovi, ktorého dokážem ľahko odkloniť pozdĺžne, ale veľmi ťažko v priečnom smere, je to podobné aj s týmito povrchovými atómami. ““
V poradí podľa veľkosti atómov, teda na stupnici milióntiny metra, trenie preto závisí od smeru, ktorým tlačíte. Táto takzvaná anizotropia alebo smerová závislosť je ďalším kúskom hádanky v snahe porozumieť fenoménu trenia. Pretože aj storočia po tom, čo Amonton predstavil svoje zákony, je stále nemožné vypočítať treciu silu medzi dvoma telesami. Stále to môžete iba zhruba zmerať.
Hrot mikroskopu meria trenie
"Zákony trenia sú neuveriteľne zle definované, zvlášť keď to porovnáme s presnosťou, ktorú inak dosahujeme vo fyzike." Napríklad môžeme vyhľadať koeficient trenia medzi drevom a oceľou vo fyzikálnej knihe a povedať: 0,1. Trecia konštanta popisuje kvocient sily, s ktorou tlačím telá na seba, a trecia sila, ktorá môže panovať rovnobežne s povrchom tela. Táto hodnota 0,1 však môže byť aj desaťkrát väčšia - koeficient trenia môže byť preto oveľa väčší, ak sa povrchy nejako zmenia. To len odráža zložitosť problému. Miliardy a miliardy atómových kontaktov hrajú úlohu, ktorú by sme mali vlastne všetci opísať jednotlivo. Nemáme ani vstupné parametre, ani nepoznáme presný stav. Preto nemôžeme robiť dobré predpovede. ““
Nepredvídateľnosť trenia má priame a predovšetkým drahé účinky: Nakoniec, všetky naše stroje a zariadenia spôsobujú trením nezanedbateľné straty energie. Vedci preto dúfajú, že vďaka lepšiemu pochopeniu trenia môžu byť mechanické systémy - ako sú súčasti vozidla alebo malé súčasti z technológie mikrosystémov - vyrobené s nižšími stratami, a tým šetriť energiu.