دانشمندان به رهبری دانشگاه لستر به بینش هایی در مورد ابر روانکاری دست یافته اند، حالتی که سطوح مقادیر بسیار پایینی از اصطکاک را نشان می دهند. در حالی که بسیاری از مردم برای جلوگیری از سر خوردن در هوای یخبندان احتیاط می کنند، این دانشمندان در حال مطالعه راه هایی برای لغزنده تر کردن سطوح هستند. آنها با موفقیت به یک معمای مربوط به اصول فوق روان شوندگی پرداخته اند، شرایطی که در آن دو سطح در هنگام لغزش روی یکدیگر اصطکاک حداقل است یا تقریباً وجود ندارند. یافته های آنها در مقاله ای برای مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
ابر روانکاری یا کاهش شدید اصطکاک سطح چیست؟
ابر روانکاری در مورد سطوح بسیار صاف در سطح مولکولی مانند گرافن است. این پدیده تنها در محیط های آزمایشگاهی که این سطوح در مقیاس نانو و میکرون ایجاد می شوند، مشاهده شده است. این نوید بزرگی را برای کاربردهای تکنولوژیکی نشان می دهد و به طور بالقوه اصطکاک را ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ برابر در مقایسه با اصطکاک معمولی در ماشین ها و مکانیسم ها کاهش می دهد.
اکثر مردم می دانند که اصطکاک، مقاومت یک جسم در برابر لغزش، برای اجسام سنگین تر بر اساس قانون Amontons-Coulomb که بیش از ۳۰۰ سال پیش فرموله شده است، بیشتر است.
با این حال، superlubricity این قانون را نقض می کند. ده ها هزار بار کوچکتر از اصطکاک معمولی است و نیروی آن به وزن جسم بستگی ندارد. به عبارت ساده، افزایش وزن بدن از گرم به ده ها کیلوگرم، سطح نیروی اصطکاک را تغییر نمی دهد.
دانشمندان در مورد اصطکاک سطح به چه دستاورد هایی دست یافته اند؟
یک تیم بین المللی از دانشمندان به رهبری پروفسور نیکولای بریلیانتوف از دانشگاه لستر دریافته اند که نوسانات همزمان سطوح، ناشی از ارتعاشات تصادفی اتم های سطحی، به اصطکاک کمک می کند. این ارتعاشات در هر دمای غیر صفر وجود دارد و با دماهای کمتر کاهش می یابد. بنابراین کاهش دمای سطح می تواند اثرات اصطکاک را کاهش دهد.
پروفسور بریلیانتوف گفت: “تفاوت قابل توجه با اصطکاک معمولی جالب است و نیاز به توضیح دارد. فوق روان شوندگی ویژگی های شگفت انگیزی را نشان می دهد، مانند وابستگی غیرمعمول نیروی اصطکاک به سرعت لغزش، دما و ناحیه تماس. این وابستگی ها با قوانین سنتی آمونتون-کولن مخالف هستند. “
تحقیقات برای کاهش اصطکاک سطح چه نتایجی داشته است؟
برای بررسی اصول ابرروان شوندگی، محققان تماسی بین دو سطح صاف مولکولی ایجاد کردند( یک نوک که روی یک بستر می لغزد و هر دو با یک لایه گرافن پوشیده شده بودند) و نیروی اصطکاک را با استفاده از میکروسکوپ نیروی جانبی اندازه‌گیری کردند. آنها همچنین با استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، آزمایش‌های عددی واقعی «در سیلیکو» را انجام دادند.
سطوح باید نامتناسب باشند، به این معنی که «تپه‌های» بالقوه در ساختار مولکولی یک سطح نباید با «چاه‌های» بالقوه سطح دیگر مطابقت داشته باشد. اگر آنها با هم قرار گیرند، نیروی بیشتری برای ایجاد لغزش لازم است.
در دماهای غیر صفر، نیروی اصطکاک به دلیل موج‌های سطحی ناشی از نوسانات حرارتی ایجاد می‌شود. دانشمندان نشان دادند که نوسانات حرارتی همزمان، که در آن دو سطح به طور همزمان در حالی که در تماس محکم هستند خم می شوند، مسئول اصطکاک هستند. دماهای بالاتر منجر به نوسانات بزرگتر می شود و سطح تماس بزرگتر باعث افزایش تعداد نوسانات سطحی می شود که مانع حرکت نسبی می شود.
چشم انداز آینده تحقیقات در مورد ابر روانکاری چیست؟
پروفسور بریلیانتوف پیشنهاد می‌کند، “ما مکانیسم اتمی استقلال معمایی نیروی اصطکاک بر وزن یک جسم را توضیح داده‌ایم و قوانین جدیدی را برای ابر روانکاری فرموله کرده‌ایم.
زمانی که لایه‌های سطح صاف مولکولی در مقیاس بزرگ‌تری تولید می‌شوند، تمام قطعات متحرک در ماشین‌ها و مکانیسم‌ها با چنین لایه‌هایی پوشانده می‌شوند که مصرف انرژی جهانی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. نگه داشتن بزرگترین تماس‌ها در دماهای پایین ممکن است مصرف انرژی را بیشتر کاهش دهد.
سطح اصطکاکی چیست؟
سطوح اصطکاکی سطوحی هستند که در آنها اصطکاک یا مقاومت در برابر حرکت وجود دارد. سطوح با بافت خشن معمولاً اصطکاک بیشتری نسبت به سطوح صاف دارند. گاهی اوقات، مایعاتی مانند روغن یا آب به عنوان روان کننده برای کاهش تاثیر اصطکاک استفاده می شود.
اصطکاک یک نیروی مرموز نیست. روی سطوح عمل می کند تا از حرکت بین آنها جلوگیری یا کاهش دهد. وقتی اصطکاک مانع از لغزش می شود، چسبندگی وجود دارد و زمانی که لغزش کاهش می یابد، لغزش وجود دارد. مهم است که بین نیروهای چسبندگی و نیروهای لغزش تمایز قائل شوید.
نیروهای چسبندگی اغلب مفید هستند. به عنوان مثال، زمانی که راه می رویم، نیروی چسبندگی بین کفش های ما و زمین به ما اجازه می دهد به زمین فشار بیاوریم و به جلو حرکت کنیم. راه رفتن روی یک سطح یخی چالش برانگیزتر می شود زیرا نیروی مقاومت کمی وجود دارد.
چه چیزی باعث اصطکاک سطحی می شود؟
دانشمندان در مورد علت دقیق اصطکاک کاملاً مطمئن نیستند، اما اعتقاد بر این است که این اصطکاک ناشی از فعل و انفعالات بین برجستگی های ریز روی سطوح است که بر روی یکدیگر ساییده می شوند. برجستگی‌های روی هر سطح خم می‌شوند و به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند، که باعث می‌شود سطوح روی یکدیگر بلغزند. نیروی وارد بر سطح متحرک در جهت مخالف عمل می کند و در مقابل حرکت مقاومت می کند.
به عنوان مثال، سطح تایر خودرو، به ویژه الگوی آج، برای به حداکثر رساندن اصطکاک بین تایر و سطح جاده در شرایط مختلف آب و هوایی طراحی شده است. هنگامی که اصطکاک به دلیل برف یا یخ در جاده به میزان قابل توجهی کاهش می یابد، لاستیک لیز می خورد و توانایی خود را برای هدایت، رانندگی یا ترمز کردن خودرو از دست می دهد.
منابع
