Что общего у силы трения и толпы на светофоре? Ученые поняли, почему сильное давление может уменьшить трение

Мы сталкиваемся с трением буквально на каждом шагу. Оно позволяет нам ходить, не скользя, держать предметы в руках, тормозить на автомобиле. Интуитивно кажется: чем сильнее прижать две поверхности друг к другу, тем сложнее будет их сдвинуть. Логично? Вполне. Но что, если я скажу вам, что в мире микроскопических взаимодействий всё может быть немного… иначе? Недавнее исследование физиков из Амстердама приоткрывает завесу над удивительным поведением трения, и аналогия, которую они предлагают, неожиданно близка к нашему повседневному опыту.

Красный свет для микромиров?

Представьте себе оживленный перекресток. Горит красный. Все терпеливо ждут. Но вот один смельчак решает рвануть на ту сторону. Секунда замешательства — и вот уже несколько человек следуют его примеру. А потом, словно по невидимой команде, вся толпа срывается с места, игнорируя сигнал светофора. Знакомая картина, правда?

Удивительно, но нечто очень похожее, как выяснили Лян Пэн и его коллеги из Амстердамского университета и Передового исследовательского центра нанолитографии, происходит на границе двух соприкасающихся твердых тел. Они провели изящный эксперимент: прижимали гладкую кремниевую пластину к шероховатой, постепенно увеличивая силу прижима. Их интересовало не просто, насколько трудно сдвинуть пластины, а почему сила трения ведет себя именно так.

Когда больше значит… легче? Загадка микронеровностей

На первый взгляд, ответ очевиден: сильнее жмешь — сильнее трение. Но дьявол, как всегда, кроется в деталях, вернее — в микронеровностях. Любая, даже самая гладкая на вид поверхность на микроуровне похожа на горный хребет с пиками и впадинами. Когда две такие поверхности соприкасаются, реальный контакт происходит лишь в отдельных точках — на вершинах этих самых микронеровностей, или «асперитов» (asperities), как их называют ученые.

Что же обнаружили исследователи? При слабом прижатии контактирует лишь несколько таких «вершин». Они несут на себе всю нагрузку, и чтобы сдвинуть поверхности, нужно приложить значительное усилие — преодолеть сопротивление этих одиноких стражей.

А вот при увеличении силы прижима в контакт вступает всё больше и больше микронеровностей. И тут начинается самое интересное! Оказалось, что в этой «толпе» точек контакта достаточно одной-двум «сорваться» — начать скользить, — как это провоцирует лавинообразный процесс. Соседние микронеровности, словно те самые пешеходы, видящие пример смельчака, тоже начинают скользить. Возникает своего рода цепная реакция.

Парадокс трения: Чем теснее, тем вольготнее?

И каков результат этого «коллективного срыва»? А вот тут и кроется парадокс, противоречащий нашей бытовой интуиции. Из-за того, что скольжение начинается почти одновременно во многих точках благодаря этому «эффекту толпы», общее сопротивление началу движения — то, что физики называют коэффициентом статического трения, — на самом деле уменьшается при увеличении нагрузки! Да-да, вы не ослышались: прижали сильнее, а сдвинуть стало легче.

Это как если бы на том самом перекрестке один пешеход решился бы перейти на красный только при очень сильном желании, а вот когда собралась целая толпа, общее нетерпение нарастает, и достаточно одного «сигнала», чтобы все ринулись вперед, даже если изначальное желание каждого по отдельности было не так уж велико. Математическая модель, разработанная командой, подтвердила: именно это коллективное поведение микронеровностей объясняет ослабление статического трения при высоких нагрузках.

От наночипов до земной коры: Где пригодится «эффект толпы»?

Казалось бы, ну, микронеровности, ну, скользят они там как-то по-особенному… Какое нам до этого дело? Оказывается, самое прямое. Понимание этих тонких механизмов трения важно в самых разных областях.

Возьмем, к примеру, полупроводниковую промышленность. При производстве микросхем часто приходится очень точно и надежно закреплять, скажем, изогнутые кремниевые пластины на идеально ровных столах. Малейшее проскальзывание недопустимо. Ситуация там как раз «на грани» — между покоем и началом скольжения. Знание того, как именно начинается это скольжение в зависимости от площади и силы контакта (то есть от количества тех самых «пешеходов"-микронеровностей), помогает инженерам разрабатывать более надежные методы фиксации и избегать брака при создании сложнейшей электроники.

А теперь перенесемся на совершенно другой масштаб — геологический. Что такое землетрясение по своей сути? Это резкое проскальзывание гигантских участков земной коры — тектонических плит — друг относительно друга. Они долгое время «прижаты» друг к другу колоссальными силами, накапливая напряжение. Понимание того, как именно и почему инициируется это скольжение на границе контакта протяженностью в сотни километров, какие эффекты становятся доминирующими при таких масштабах — это ключ к пониманию природы землетрясений. И хотя предсказывать их с точностью до дня и часа мы пока не можем, такие фундаментальные исследования приближают нас к созданию более точных моделей и, возможно, в будущем — к более надежным прогнозам.

Маленькие детали большого мира

Вот так, наблюдая за поведением крошечных выступов на кремниевых пластинах, ученые приходят к выводам, которые могут влиять и на создание гаджетов в наших карманах, и на понимание глобальных природных катастроф. Исследование амстердамских физиков — прекрасный пример того, как фундаментальная наука, движимая простым любопытством («А почему оно так?»), раскрывает неожиданные связи между, казалось бы, совершенно разными явлениями — от поведения толпы на перекрестке до движения континентов. И напоминает нам, что даже самые привычные вещи вроде трения все еще хранят немало удивительных секретов.