Frecțiunea independentă de viteza de alunecare, demonstrată experimental prin încălzirea mica la 200°C
Cercetătorii au reușit pentru prima dată să demonstreze experimental o frecare complet independentă de viteza de alunecare, un ideal considerat de mult timp de neatins, prin încălzirea mica, un oxid stratificat folosit și ca material lubrifiant, până la temperatura de 200°C (392°F). Rezultatele au fost obținute în cadrul unui proiect de cercetare comun desfășurat de Institutul Național pentru Știința Materialelor din Japonia (NIMS), Serviciul Geologic al Statelor Unite și Universitatea din Tokyo.
Studiul a clarificat totodată cauza acestui fenomen: dispariția defectelor din interiorul cristalelor la temperaturi ridicate. Descoperirea este considerată importantă pentru înțelegerea principiilor fundamentale ale frecării, care au rămas până acum neexplicate, și pentru proiectarea și dezvoltarea de lubrifianți cu consum redus de energie. Rezultatele au fost publicate în revista Physical Review Letters.
Legea lui Coulomb și limitele ei practice
Legea conform căreia forța de frecare cinetică dintre materialele uscate rămâne constantă indiferent de viteza de alunecare, cunoscută sub numele de legea frecării Amontons-Coulomb, este prezentată drept una dintre legile de bază ale frecării în manualele de fizică de liceu.
În realitate însă, forța de frecare se modifică ușor odată cu viteza de alunecare pentru multe tipuri de materiale, fenomen descris de legea frecării dependente de viteză și de stare. O stare complet independentă de viteză, așa cum este descrisă de legea lui Coulomb, nu a fost verificată experimental până în prezent. Variațiile mici ale forței de frecare cinetică provoacă oscilații și uzură în timpul fluctuațiilor de putere, precum și transmiterea instabilă a puterii, afectând semnificativ funcționarea stabilă a mașinilor.
Din acest motiv, înțelegerea și anticiparea relației dintre frecare și viteza de alunecare au reprezentat o provocare majoră în proiectarea mașinilor și dezvoltarea materialelor lubrifiante, fiind necesară clarificarea acestui fenomen fizic.
Experimentele pe mica și observarea defectelor cristaline
Echipa de cercetare a măsurat modificările forței de frecare cinetică dintre monocristale de mica (KAl2[Si3AlO10](OH)2), un oxid stratificat, la temperaturi cuprinse între temperatura camerei și 200°C (392°F). Cercetătorii au constatat că răspunsul frecării la schimbările de viteză de alunecare s-a redus pe măsură ce temperatura a crescut, iar la 200°C forța de frecare cinetică a devenit independentă de viteza de alunecare.
Acest fenomen nu poate fi explicat prin teoriile convenționale ale frecării, iar echipa a reușit astfel să obțină frecarea ideală Coulomb. Observarea probelor cu ajutorul microscopului electronic a clarificat relația dintre prezența sau absența unor defecte asemănătoare undelor, numite ripplocations, din interiorul cristalelor de mica și dependența de viteza de alunecare. Cercetarea a relevat pentru prima dată că defectele din cristale sunt implicate în fenomenele complexe de frecare.
Direcții viitoare de cercetare
Echipa intenționează să realizeze experimente de frecare în interiorul microscoapelor electronice pentru a clarifica relația dintre prezența sau absența defectelor din cristale și dependența forței de frecare cinetică de viteza de alunecare. Prin extinderea obiectivelor de cercetare către alte materiale stratificate diverse, cercetătorii urmăresc să dezvolte o nouă lege a frecării legată de viteza de alunecare.
În viitor, această cercetare ar putea conduce la proiectarea de materiale stratificate utilizate ca lubrifianți solizi și la dezvoltarea de lubrifianți ușor de utilizat, cu consum redus de energie, ale căror proprietăți să nu se modifice la diferite viteze de alunecare.
