دانشمندان در حال حل پدیده جذاب ابر روانکاری و تدوین قوانین آن هستند

محققان Skoltech توضیح دادند که چرا اصطکاک بسیار ضعیف از قوانین متفاوتی نسبت به قوانین حاکم بر اصطکاک معمولی که ما از فیزیک مدرسه می شناسیم، تبعیت می کند. در میان سایر ویژگی‌های غیرمنتظره و غیرمنتظره، قوانین جایگزین اصطکاک که تیم تدوین کرده است نشان می‌دهد که چرا افزایش وزن جسمی که روی یک سطح می‌لغزد لزوماً باعث اصطکاک بیشتر نمی‌شود.

درک چگونگی اصطکاک کار می کند در سطح میکروسکوپی می‌تواند راه را برای کنترل و استفاده از اصطکاک فوق‌العاده کم در مکانیسم‌های متعدد هموار کند که باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی در سراسر جهان می‌شود. محققین گزارش اکتشافات آنها در نامه معاینه فیزیکی.

تا حدودی، هر کس یک حس شهودی از قانون اصطکاک آمونتون-کولن نامیده می شود، که مظاهر آن را به طور منظم در زندگی روزمره مشاهده می کنیم. بیش از 300 سال پیش فرموله شده است، و می گوید که اصطکاک رخ می دهد، به عنوان مثال، هنگامی که شما یک جسم سنگین را در امتداد زمین می کشید، با افزایش می یابد. وزن روی بدن گفته می شود که دو مقدار – نیروی اصطکاک و وزن بدن – نسبت مستقیم با یکدیگر دارند.

پروفسور Skoltech، نیکولای بریلیانتوف، محقق اصلی این مطالعه، گفت: «به طرز شگفت انگیزی، این قانون برای فوق روانکاری، مورد اصطکاک بسیار کم، صادق نیست.

اصطکاک فوق روان کننده، که مرتبه ای کوچکتر از اصطکاک معمولی است، به عبارت ساده، مستقل از وزن بدن است. شما می توانید وزن بدن را هزاران بار افزایش دهید – مثلاً از یک کیلوگرم به چندین تن – اما اصطکاک تغییر نمی کند و به اندازه 1 کیلوگرم باقی می ماند. این پدیده واقعاً جذاب است و نیاز به توضیح دارد.

چندین ویژگی شگفت‌انگیز دیگر سوپر روانکاری وجود دارد، مانند وابستگی غیرمعمول نیروی اصطکاک به سرعت لغزش، دما و منطقه تماس– همه آنها با قوانین مرسوم آمونتون-کلمب در تضاد هستند.

تیمی از محققان Skoltech به رهبری بریلیانتوف معمای توانایی فوق روانکاری را حل کردند. آنها یک مطالعه پیچیده با آزمایش های انجام شده توسط گروه پروفسور آلبرت ناسیبولین انجام دادند. شبیه سازی عددی به رهبری محقق الکسی تسوکانوف از گروه بریلیانتوف، و مفهوم سازی نظری این پدیده توسط خود بریلیانتوف ارائه شده است.

این تیم مکانیزم اتمی پشت استقلال گیج کننده نیروی اصطکاک از وزن بدنه لغزشی (از «بار عادی»، به عبارت علمی) را توضیح داد و قوانین جایگزین اصطکاک را برای ابر روانکاری فرموله کرد. آنها این پدیده را به خوبی توصیف می کنند، اما به شدت با قوانین آمونتون-کلمب در تضاد هستند.

به زبان ساده، افکت های گیج کننده را می توان به صورت زیر توضیح داد. فوق روانی با سطوحی مرتبط است که تا سطح اتمی بسیار صاف هستند سطح از ماده کربنی گرافن علاوه بر این، تماس دو سطح باید غیرقابل مقایسه باشد. این به این معنی است که زبری سطح اتمی (همچنین به نام راه راه) دو سطح نباید متقابل باشد.

به عبارت دیگر، «تپه‌های» بالقوه در یک سطح نباید در «چاه‌های» بالقوه روی سطح دیگر قرار بگیرند. اگر “تپه” و “چاه” متناسب باشد، دو سطح به هم قفل می شوند و برای لغزش نیروی قابل توجهی لازم است. از طرف دیگر سطوح نامتناسب قفل نمی شوند و بنابراین به راحتی می لغزند.

با این حال، اصطکاک ممکن است به دلیل نوسانات حرارتی رخ دهد. نوسانات خارج از صفحه سطوح تماس به طور قابل توجهی آنها را افزایش می دهد سطح اتمی زبری که مانع حرکت نسبی دو سطح می شود.

با این حال، محققان Skoltech نشان داده اند که نه همه نوسانات حرارتی مهم هستند – فقط آنهایی که وقتی دو سطح به طور همزمان خم می شوند در حالی که در تماس نزدیک هستند هماهنگ هستند. چنین نوساناتی به حداقل انرژی نیاز دارند و به بار معمولی بستگی ندارند، یعنی. وزن بدنه کشویی این توضیح می دهد که چرا اصطکاک مستقل از وزن است. علاوه بر این، لغزش نسبی سطوح این نوسانات همزمان – “چروک های سطحی” – را در جهت حرکت با سرعت لغزش هدایت می کند.

چنین حرکتی به انرژی نیاز دارد که در بخش عمده ای از مواد به صورت گرما پراکنده می شود و در نتیجه نیروی اصطکاک اتلافی متناسب با سرعت ایجاد می شود.

هر چه دمای سطوح بالاتر باشد، دامنه نوسانات سنکرون بیشتر می شود. هر چه سطح تماس بزرگتر باشد، تعداد نوسانات سطحی که مانع حرکت نسبی می شوند بیشتر است. تجزیه و تحلیل کمی از این اثرات بازده قوانین superlubricity مربوطه گزارش شده در مقاله.