Отримано передбачений теоретиками ефект зменшення сили тертя при переході до нанообъектам

Група дослідників з Німеччини і США продемонструвала на практиці раніше передбачений теоретиками ефект зменшення сили тертя при переході до нанообъектам. Подробиці призводить Physics з посиланням на публікацію учених в журналі Physical Review Letters.

 

Мікрофотографія установки і ілюстрація провалювання частинок на кристалічній решітці.

Фізики працювали з наночастинками золота і сурми. Їх переміщали з графітової площини голкою атомного силового мікроскопа зі швидкістю один мікрометр в секунду і реєстрували виникають при цьому сили. Вчені виявили, що

класичне опис сили тертя при переході до наномасштабам перестає працювати. Тертя вже не пропорційно площі об’єкта і, крім того, може залежати від орієнтації кристалічних решіток.

Цей ефект можна уподібнити переміщення саней по нерівній поверхні. Якщо полози досить довгі, то невеликі нерівності на дорозі перестають надавати ефект на рух.

У випадку з наночастинками роль нерівностей відіграють періодичні провали кристалічної решітки.

Якщо всі атоми ковзного об’єкта виявляються над атомами поверхні, сила зчеплення зразків різко зростає, а якщо більша частина атомів виявляється на більшій відстані, то сила тертя зменшується. Частинка, яка може «провалитися» в зазор кристалічної решітки, застряє на місці, а група з декількох таких частинок успішно долає подібні перешкоди. Якщо зробити поверхню ще більше, це вже не дає виграшу. Тертя почне знову зростати разом із зростанням площі контакту з поверхнею, причому спочатку це зростання буде нелінійним.

Експерименти показали, що

тертя в наномасштабах сильно залежить від кристалічної структури речовини.

Аморфна сурма, атоми якої розташовані хаотично, відчувала менше тертя, ніж частинки золота з кубічної кристалічної гратами. Сила тертя в разі сурми зростала пропорційна квадратному кореню площі поверхні: цей закон передбачили ще в 2001 році, але з тих пір його так і не виявили в експериментах і навіть з’явилися розрахунки, які спростовували теорію. А у випадку з золотом поведінку системи з наночастинок і графітової підкладки виявилося ще більш складним.

У цьому випадку додаткову роль відігравала орієнтація кубічних грат один щодо одного: якщо вони збігалися, то тертя виявлялося вище, ніж при ковзанні розгорнутих на 45 градусів зразків. Вивчення сили тертя в мікроскопічному масштабі, як зазначають вчені, може допомогти в розробці матеріалів з низьким коефіцієнтом тертя.

Для макроскопічних об’єктів діють два закону Амонтона-Кулона.

  • Перший свідчить, що тертя пропорційно силі реакції опори і він працює в більшості випадків. Згідно другого закону тертя не залежить від площі опори, але це вірно лише для випадку сухого тертя.
  • У ряді випадків доцільніше використовувати закономірність, визначену для випадку в’язкого тертя, яке пропорційно площі.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *