Τι κοινό έχουν τα φρένα, τα παπούτσια μπάσκετ και οι σεισμοί;
Ο ήχος τριξίματος που παράγουν οι παίκτες του μπάσκετ καθώς τα παπούτσια τους γλιστρούν πάνω από το πάτωμα είναι συνέπεια της κίνησης του μπάσκετ:καθώς το παπούτσι μπάσκετ κολλάει και γλιστρά διαδοχικά σε υψηλή συχνότητα και σε μικρή απόσταση, η διεπαφή συμπιέζει περιοδικά τον αέρα, παράγοντας γνωστός τριγμός. Υπάρχουν πολλοί άλλοι τρόποι με τους οποίους μπορούν να δημιουργηθούν παρόμοιοι ήχοι με παρόμοιο τρόπο:όταν σύρετε τα χέρια σας πάνω από ένα μπαλόνι, όταν ένα αυτοκίνητο κάνει μια απότομη στροφή στο καθαρό πάτωμα ενός γκαράζ, ακόμα και όταν παίζετε βιολί.
Σε όλες τις περιπτώσεις, οι επιφάνειες επαφής υφίστανται μια σπασμωδική κίνηση εναλλάσσοντας γρήγορα μεταξύ κολλήματος και ολίσθησης. Η κίνηση ολίσθησης με ραβδί μπορεί επίσης να έχει πιο δραματικές συνέπειες. Είναι γνωστό ότι οι σεισμοί προκύπτουν από την κίνηση ολίσθησης με ραβδί του φλοιού της γης, ενώ η κίνηση ολίσθησης με ραβδί έχει υποτεθεί ότι οδηγεί σε ζημιά στις αρθρώσεις μας.
Γιατί οι διεπαφές εμφανίζουν κίνηση stick-slip; Ένα πείραμα (σκέψης) που μπορεί να απεικονίσει την προέλευση του εφέ διεξάγεται ως εξής:τοποθετήστε ένα βαρύ βιβλίο στο τραπέζι και τραβήξτε το βιβλίο χρησιμοποιώντας ένα συμβατό λάστιχο. Το βιβλίο θα παραμείνει πρώτα στη θέση του καθώς το λάστιχο τεντώνεται και η δύναμη έλξης αυξάνεται. Μόλις η δύναμη έλξης υπερβεί μια κρίσιμη τιμή, το βιβλίο θα εκτοξευτεί προς τα εμπρός και θα σταματήσει:θα κολλήσει, θα γλιστρήσει και θα κολλήσει ξανά. Ο λόγος για την απότομη επιτάχυνση είναι ότι μόλις το βιβλίο κινηθεί το παραμικρό, η δύναμη τριβής που αντιστέκεται στην ολίσθηση μειώνεται, ενώ το λάστιχο εξακολουθεί να ασκεί την ίδια μεγάλη δύναμη έλξης. Με άλλα λόγια, η αντίσταση στην ολίσθηση μειώνεται ξαφνικά μόλις ξεκινήσει η ολίσθηση:η τριβή ολίσθησης είναι χαμηλότερη από τη στατική τριβή. Αυτό ισχύει σχεδόν για όλες τις διεπαφές:παπούτσι μπάσκετ έναντι δαπέδου, ελαστικό αυτοκινήτου έναντι δρόμου, τόξο έναντι κορδονιού και ούτω καθεξής. Τι κοινό έχουν όλες αυτές οι διεπαφές που προκαλεί αυτήν την καθολική διαφορά μεταξύ στατικής και δυναμικής τριβής;
Η τραχύτητα της επιφάνειας θεωρείται ότι παίζει κρίσιμο ρόλο:σε κλίμακες μικροσκοπικού μήκους, οι επιφάνειες συνήθως δεν είναι λείες αλλά τραχιές, όπως ένα ορεινό τοπίο. Μια συνέπεια αυτής της τραχύτητας επιφάνειας είναι ότι όταν πιέζετε δύο αντικείμενα σε επαφή, αυτά θα αγγίξουν μόνο μερικές θέσεις όπου τυχαίνει να έρχονται σε επαφή οι υψηλότερες κορυφές τραχύτητάς τους (βλ. εικόνα). Όταν οι επιφάνειες μεταφράζονται η μία ως προς την άλλη ή ολισθαίνουν, οι ακριβείς θέσεις στις οποίες αγγίζουν οι επιφάνειες αλλάζουν.
Ενώ είναι ακίνητη, η δύναμη επαφής μεταφέρεται από έναν σχετικά μικρό αριθμό σημείων επαφής, οδηγώντας σε μεγάλη τοπική πίεση εντός των σημείων επαφής, ακόμη και όταν η εφαρμοζόμενη δύναμη επαφής δεν είναι τόσο μεγάλη. Η πίεση που ασκείται στις μικροσκοπικές κορυφές τραχύτητας μπορεί, στην πραγματικότητα, να είναι τόσο μεγάλη ώστε – σε μια σταθερή διεπαφή – οι κορυφές σταδιακά ισοπεδώνονται με το χρόνο. Όσο περισσότερο ισοπεδώνονται οι κορυφές τραχύτητας, τόσο μεγαλύτερη είναι η συνολική επιφάνεια στην οποία αγγίζουν οι επιφάνειες –και μαζί με αυτό– τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη τριβής που θα αντισταθεί στην κίνηση ολίσθησης στη διεπαφή. Ωστόσο, μόλις ξεκινήσει η ολίσθηση και οι δύο επιφάνειες κινηθούν σε σχέση με την άλλη, δεν θα έρχονται απαραίτητα σε επαφή με τις παλαιωμένες κορυφές τραχύτητας και η ανάπτυξη των επαφών –και με αυτό, η τριβή– αντιστρέφεται.
Για να δοκιμάσουν πειραματικά αυτήν την εξήγηση για τη διαφορά μεταξύ στατικής και ολισθαίνουσας τριβής, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ πραγματοποίησαν ένα καινοτόμο πείραμα στο οποίο οραματίστηκαν τη διεπαφή μεταξύ μιας πλαστικής σφαίρας και μιας γυάλινης πλάκας κατά τη μετάβαση με ραβδί-ολίσθηση. Στη γυάλινη πλάκα, οι ερευνητές προσάρτησαν χημικά ένα στρώμα από φθορίζοντα μόρια που ουσιαστικά ανάβουν μόνο όταν πιέζονται από τις κορυφές τραχύτητας στην πλαστική μπάλα. Αυτό επιτρέπει την οπτικοποίηση των επαφών μεταξύ της μπάλας και της πλάκας σε μοριακή κλίμακα μέσω της διαφανούς πλάκας.
Το πείραμα αποκάλυψε πράγματι ότι οι επαφές αυξάνονται σταδιακά με την πάροδο του χρόνου όταν εφαρμόζεται μια δύναμη επαφής και η διεπαφή παραμένει ακίνητη. Αυτή η αύξηση του αριθμού ή του συνολικού εμβαδού των επαφών συνοδεύτηκε επίσης από μια αυξανόμενη στατική δύναμη τριβής:όσο περισσότερο πιέζονταν η σφαίρα σε επαφή πριν την εξαναγκάσουν να γλιστρήσει, τόσο μεγαλύτερη ήταν η στατική δύναμη τριβής που απαιτείται για να ξεκινήσει η ολίσθηση. Ωστόσο, ο ρυθμός με τον οποίο αυξανόταν η δύναμη τριβής με το χρόνο αναμονής ήταν ταχύτερος από τον ρυθμό με τον οποίο δημιουργήθηκαν νέες επαφές. Επιπλέον, κατά την έναρξη της ολισθαίνουσας κίνησης, η δύναμη τριβής έπεσε ενώ η συνολική επιφάνεια στην οποία η μπάλα και η πλάκα ήταν σε επαφή παρέμεινε αμετάβλητη. Και οι δύο παρατηρήσεις σηματοδοτούν ότι πρέπει να υπάρχει μια διαδικασία που συμβαίνει εντός των μικροσκοπικών επαφών που οδηγεί στην αποδυνάμωση αυτών των επαφών κατά την έναρξη της ολίσθησης.
Αναλύοντας λεπτομερέστερα τις εικόνες της επαφής μπάλα σε πλάκα, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η ένταση με την οποία τα μόρια των ειδικών ανιχνευτών στη διεπιφάνεια εξέπεμπαν φως ακολουθούσε ακριβώς την εξέλιξη της δύναμης τριβής κατά τη μετάβαση ραβδί-ολίσθηση:αρχικά , τόσο η ένταση όσο και η δύναμη τριβής ήταν υψηλές, στη στατική τους τιμή, ενώ στη συνέχεια τόσο η τριβή όσο και η ένταση μειώθηκαν όταν η μπάλα άρχισε να γλιστράει. Το συμπέρασμα είναι ότι τη στιγμή που η μπάλα αρχίζει να κινείται, τα σημεία επαφής λιώνουν, σαν να λέγαμε, με αποτέλεσμα να γλιστρούν πιο εύκολα και να μειώνεται η τριβή.
Έτσι, το πείραμα παρέχει μια εναλλακτική εξήγηση για τη μετάβαση με ραβδί-ολίσθηση, ένα φαινόμενο που ακούμε σε καθημερινή βάση και που μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες σε πολύ διαφορετικές διεπαφές, από σεισμούς μέχρι μηχανήματα, φρένα και (ανθρώπινες) αρθρώσεις.
