Friktionens grænser

Friktion skabes, når to overflader glider oven på den anden. Da dette forbruger ekstra energi, denne såkaldte glidende friktion betragtes som et irriterende, men uundgåeligt aspekt af dynamiske processer. Imidlertid, at sætte et stationært objekt i gang, dens statiske friktion skal først overvindes. I samarbejde med deres italienske kolleger, forskere fra universitetet i Konstanz har demonstreret, hvordan man helt kan undertrykke statisk friktion mellem to overflader. Det betyder, at selv en lille kraft er tilstrækkelig til at sætte objekter i gang. Især i mikromekaniske dele, hvor kun små kræfter spiller ind, en forsvindende statisk friktion kan føre til stærkt forbedrede effektivitetsniveauer. Disse resultater er blevet offentliggjort i den aktuelle udgave af onlinetidsskriftet Fysisk gennemgang X ( PRX ).

For at flytte en træblok hen over et bord skal man trække i den. Da Leonardo da Vinci undersøgte dette vildledende simple forhold systematisk for mere end 500 år siden, han opdagede de grundlæggende love for glidende friktion. Da glidende friktion normalt genererer varme, man skal konstant trække i træstykket for at kompensere for friktionstab. Imidlertid, at generere bevægelse i første omgang, det er ikke glidende friktion, men statisk friktion, der skal overvindes. Statisk friktion er typisk større end glidende friktion og et resultat af at atomstrukturen af ​​kontaktfladerne låses på plads. Overfladerne kan kun frigøre sig selv og bevæge sig mod hinanden, når den påførte kraft har nået tilstrækkelige niveauer.

Arbejde med fysikere fra universiteterne i Milano og Trieste, en arbejdsgruppe ved University of Konstanz ledet af professor Clemens Bechinger var i stand til at udføre eksperimenter og numeriske simuleringer, der bekræftede en forudsigelse fra fysikeren Serge Aubry i 1980'erne:Han postulerede, at hvis gitterafstanden mellem partikler i den ene overflade skulle afvige en smule fra gitterafstanden i den anden, friktion mellem de to overflader skal forsvinde helt. Dette forventes endda at gælde, hvis de to overflader presses sammen. Rent praktisk, dette ville betyde, at en tilfældigt lille kraft ville være tilstrækkelig til at flytte et stykke træ, der vejer tons over en overflade.

Denne effekt kan ses særligt godt i ideelle kontakter, hvor begge overflader er helt flade mod hinanden. Det er den slags overflader, Clemens Bechinger og hans team var i stand til at skabe i et modelsystem:Ved hjælp af laserstråler og glaskugler i mircometer -området, såkaldte kolloider, de var i stand til at skabe en todimensionel model af to overflader, der gnider mod hinanden. Da de elektrisk ladede kugler frastøder hinanden, de placerer sig i et periodisk ordnet fladt lag. Dette kolloidmonolag danner en af ​​de to overflader. Forskerne skabte den anden overflade under laget af kolloider ved hjælp af tre laserstråler. Som et resultat af deres superposition dannes en lys krystal, som er en slags optisk æggekasse med fordybninger og kamme. "I sammenligning med rigtige overflader, disse optiske overflader har den ekstra fordel, at de er helt gennemsigtige, hvilket betyder, at vi direkte kan observere processerne på arbejdet mellem dem ved hjælp af et mikroskop, "siger Thorsten Brazda, den forsker, der gennemførte eksperimenterne i Bechingers gruppe til sin doktorafhandling.

Mens Aubry begrænsede sin forudsigelse til endimensionelle kontakter ved nulpunktstemperaturer, forskningssamarbejdet var i stand til at bevise, at udvidet, todimensionelle kontakter ved stuetemperatur kan også sættes i gang uden statisk friktion. "Vi var i stand til at forvandle Aubrys kunstige endimensionelle opsætning til en realistisk situation og demonstrere, at hans idé forbliver gyldig i todimensionale systemer og ved begrænsede temperaturer, "Siger Clemens Bechinger.

Observation af partikelbevægelser gav også forskerne mulighed for at forstå forsvinden af ​​statisk friktion mellem kolloidmonolaget og lyskrystallet:Det viser sig, at det kolloidale monolag nogensinde svinger i forhold til det optiske gitter. Den vej, partiklerne låser sig ikke fast på substratets fordybninger, som de ikke ville have let ved at flygte fra. I stedet, nogle af dem placerer sig omkring kantene. Hvis der udøves ekstern kraft, disse partikler behøver ikke at flygte fra fordybningerne, men kan frit bevæge sig straks, så snart der udøves en minimal kraft. Statisk friktion forsvinder.

Disse resultater, som er i god overensstemmelse med de numeriske simuleringer udført af det italienske team, vise, at statisk friktion ikke kun kan undertrykkes, men også genereret som ønsket, hvis kontakttrykket mellem de to overflader øges. Dette er vigtigt, for så vidt som statisk friktion - i modsætning til glidende friktion - ofte er et ønsket fænomen. Det gør det muligt for os at gribe objekter sikkert og sikrer, at hjulene har tilstrækkeligt greb. Denne måde at variere statisk friktion på skaber nye muligheder for let at flytte objekter på tværs af overflader og låse dem på plads sikkert. Dette ville have en enorm fordel i mikro- og nanomekaniske gearkasser eller koblinger, siden, her, typisk spiller kun meget små kræfter.