برخلاف آنچه ممکن است در دبیرستان فراگرفته باشید، اصطکاک بین دو سطح ثابت نیست. سطوح ناهموار در ابعاد میکروسکوپیکی تغییرشکل داده و بهم نزدیک‌تر می‌شوند، به همین دلیل برای گستره‌ی وسیعی از مواد و انواع سطوح، اصطکاک با زمان افزایش می‌یابد. اکنون آزمایش‌ها به موضوع جدیدی دست یافته‌اند: اصطکاک می‌تواند حافظه داشته باشد؛ یعنی نه تنها به حالت کنونی بین‌سطوح وابسته است بلکه به چگونگی رسیدن به آن نقطه نیز بستگی دارد. این یافته‌ها به ارتباط بین اصطکاک و رفتار شیشه‌ها و دیگر سیستم‌های نامنظم اشاره دارد و ممکن است در درازمدت چگونگی حل مسائل مربوط به اصطکاک در مورد زلزله، ماشین‌آلات صنعتی و میکروماشین‌ها را تحت تاثیر قرار دهد.

در مدل‌های سنتی که در مورد «کهنگی یا فرسودگی» (Aging) اصطکاک وجود دارد فرض بر این است که مقاومت اصطکاکی تنها به شرایط بین‌سطوح و مدت‌زمان تماس بستگی دارد. شومل روبنشتاین (Shmuel Rubinstein) و دانشجوی فارغ‌التحصیل، سام دیلوو (Sam Dillavou) از دانشگاه هاروارد با استفاده از آزمونی نادر این فرض را مورد آزمایش قرار داده‌اند؛ در این آزمایش پاسخِ اصطکاک به تغییر نیروی مابین سطوح، اندازه‌گیری می‌شود. آن‌ها یک جفت بره‌ی پلاستیکیِ شفاف را روی یک‌دیگر قرار داده‌اند که مساحت سطح آن‌ها از ۵/۰ تا ۴ سانتی‌متر مربع است و در قطعه‌ای کار گذاشته‌اند که نیروی مشخصی را با هل دادن بره‌ی بالایی بر پایینی وارد می‌سازد.

برای اندازه‌گیری مساحت دقیق تماس بین دو سطحِ اندکی زبر، این دو محقق از تکنیکی استفاده کرده‌اند که روبنشتاین توسعه داده و شامل نوری است که بر روی سطح بالاییِ بره‌ی پایینی در زاویه‌ای کوچک وارد می‌شود. نور به درون بره‌ی بالایی وارد می‌شود چون درست در جایی بین‌سطحی را قطع می‌کند که یک تماس واقعی وجود دارد. در اولین گام از این آزمایش، دیلاوو و روبنشتاین بار ثابتی را به بره‌ی بالایی وارد کرده‌اند. مساحت تماس با زمان به شکل لگاریتمی افزایش می‌یابد؛ همان‌طور که از بسیاری از مطالعات اولیه اصطکاک تحت شرایط ثابت نیز انتظار می‌رود.

این پژوهش‌گران در گام دوم، بار موردنظر را ناگهان پس از یک زمان «انتظار» که از چند ثانیه تا تقریباً سه ساعت بود، کاهش داده‌اند. سطح تماس ناگهان ابتدا افت پیدا کرده طوریکه بسیاری از نواحی کوچک ازهم جدا شده‌اند. سپس به آرامی برای مدت زمان زیادی قبل از ادامه‌ی افزایش لگاریتمی گام اول کاهش می‌یابد. این افت و خیز نشان می‌دهد که اصطکاک دارای یک حافظه است. تحت شرایط خارجی یکسان، سطح تماس از دوبرابر مقدار مشابه می‌گذرد و این یعنی سطح تماس نه تنها به آن شرایط وابسته است بلکه به تاریخچه‌ی بین‌سطحی نیز بستگی دارد.

اتصالات روشن. نور به بره‌ی پایینی پلاستیکی وارد شده و از سطح بالایی‌اش منعکس می‌شود اما در نقاطی که تاحدودی تماس وجود دارد، از بره‌ی بالایی هم عبور می‌کند. این فناوری تماس واقعی بین دو بره را برملا می‌کند که پارامتری مهم در تعیین اصطکاک است.

دیلاوو و روبنشتاین در مجموعه‌ای دیگر از آزمایش‌ها، ضریب اصطکاک را اندازه‌ گرفته‌اند که به صورت نیروی لازم برای سُر خوردن در حالت اعمال بار تعریف شده است. آن‌ها از دستورالعمل دوگامی مشابهی استفاده کرده‌‌اند اما بعد از زمان انتظار و کاهش ناگهانی بار، یک نیروی افزایش‌یابنده‌ی یکنواخت به بره‌ی پایینی اعمال کرده‌اند تا سربخورد. این محققان هزاران گونه از این تست‌ها را برای مقادیر مختلفی از زمان‌های انتظار و بارهای اولیه و کاهش‌یافته‌ی انجام داد‌ه‌اند.

ضریب اصطکاک پس از کاهش بار افت پیدا می‌کند و دوباره افزایش می‌یابد اما مقایسه با اندازه‌گیری‌های سطح تماس برای پارامترهای یکسان نشان داده است که این دو ویژگی باهم تغییر نمی‌کنند. برخی اوقات وقتی ضریب اصطکاک افت پیدا می‌کند سطح تماس افزایش می‌یابد و برعکس. به بیان این پژوهش‌گران، تکه‌تکه بودن اتصال تماس واقعی مابین دو بره، این عدم تطابق‌ را توضیح می‌دهد. ضریب اصطکاک عمدتاً به بخشی از بین‌سطحی وابسته است که در آن قوی‌ترین تماس‌ها برقرار است و اگر آن سطوح مچاله شوند (درحالی که تماس‌های ضعیف‌تر اما بی‌شماری رشد کند) سطح کل تماس می‌تواند افزایش یابد، حتی اگر ضریب اصطکاک افت پیدا کند. با این حال روبنشتاین با این مطلب موافق است که واضح نیست که چرا برخی سطوح تماس بزرگ‌تری دارند اما اصطکاک کمتری دارند.

برای حساب کردن رفتار هردوی پارامترها، دیلاوو و روبنشتاین به یک مدل تجربی پرداخته‌اند که در آن سیستم‌های نامنظم (مثل شیشه‌ها) به عنوان مجموعه‌ای از بی‌نهایت میکروسیستم که با نرخ‌های متفاوتی در پاسخ به شرایط تحول می‌یابند[1]، در نظر گرفته می شوند. در مورد اصطکاک، این میکروسیستم‌ها می‌توانند نواحی کوچکی باشند که تغیرشکل یا چسبندگی در بین‌سطحی‌ها را تجربه می‌کنند. در آزمایش دوگامی، میکروسیستم‌های بشدت تحول‌یابنده در طی زمان انتظار به حالت تعادل می‌رسند درحالی‌که میکروسیستم‌های که به آرامی تحول پیدا می‌کنند هنوز در حال تغییرند. پس از آنکه بار به شکل ناگهانی کاهش پیدا می‌کند، این گروه‌ها به صورت متفاوتی متحول می‌شوند؛ طوریکه به سمت تعادل جدیدی پیش رفته و رفتار مشاهده شده را تولید می‌کنند.

بن لیشمان (Ben Lishman) از دانشگاه بانک جنوبی لندن که حرکت و اصطکاک را در یخ دریا مورد مطالعه قرار داده است، این گزارش جدید را «شگفت‌انگیز» خوانده و می‌گوید که این گزارش می‌تواند به دانش‌مندان در «درک اینکه اصطکاک در ابعاد میکروسکوپیکی واقعاً چیست» کمک کند. با این حال وی می‌افزاید که مدل‌های تجربیِ اصطکاک بخوبی جواب می‌دهند و بنابراین کمی وقت باید صرف شود تا به نگرش‌های جدیدی برای اثرگذاشتن روی آن‌ مدل‌ها دست پیدا کنیم.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

دیوید لیندلی (David Lindley) نویسنده‌ی آزاد علمی در ویرجینیا و نویسنده‌ی کتاب عدم‌قطعیت: انشتین، هایزنبرگ، بور و مبارزه برای روح علم (۲۰۰۷) است.

مرجع:

1. A. Amir, Y. Oreg, and Y. Imry, “Mean-Field Model for Electron-Glass Dynamics,” Phys. Rev. B 77, 165207 (2008); “Slow Relaxations and Aging in the Electron Glass,” Phys. Rev. Lett. 103, 126403 (2009).

منبع:

Friction Remembers Its Origins