آزمایشها، اصطکاک بین یک کره سیلیکونی و یک قرص نازک سیلیکونی را با تغییر میزان رطوبت اندازه گیری کردند. در آزمایش، رطوبت نسبی از 0.6 درصد تا 80 درصد تغییر می کرد.

هر چند به طور کلی مرطوب کردن یک سطح، اصطکاک را کاهش و احتمال لغزیدن را افزایش می دهد، اما مواردی هم وجود دارد که افزودن آب به یک سطح، باعث افزایش اصطکاک می شود. مانند مرطوب کردن انگشتان دست خود برای ورق زدن صفحه کتاب.

نخستین مطالعاتِ مربوط به اصطکاک، اجسام نسبتا بزرگ را مورد توجه قرار داده بودند، مثلا قطعه چوبی که به پایین سطح شیبدار می لغزد. آزمایشهای جدیدتر روی مقیاس نانو تمرکز کرده اند. این آزمایشها، نیروهای مربوط به اصطکاک را روی پروب های سوزنی شکل مورد مطالعه قرار داده و ساز و کاری را شناسایی کرده اند که در یک تک برآمدگی یا "ناهمواری" میکروسکوپیک روی سطح اثر میکند. اما فیزیکدانی به نام لیانگ پنِگ Liang Peng از دانشگاه آمستردام میگوید این پرسش که چگونه نیروهای اصطکاکی در دو مقیاس نانو و ماکرو مرتبط میشوند، بدون پاسخ باقی مانده بود.

گروه پِنگ یک پروب نسبتا بزرگ، کره ای سیلیکونی به قطر 3 میلی متر، را برداشته و آن را روی یک قرص نازک سیلیکونی مسطح با "نیروی عمودی" 50 میلی نیوتن تحت فشار قرار دادند. این کار منجر به یک سطح تماس 20 میکرومتری شامل چندین ناهمواری شد. پژوهشگران سپس نیروی افقی مورد نیاز برای به حرکت درآوردن کره روی قرص با سرعت 100 نانومتر بر ثانیه را اندازه گیری کردند. رطوبت نسبی در آزمایش، از 0.6 درصد که سطوح همچنان خشک مانده بودند تا 80 درصد که آب وجود داشت اما کاملا سطوح را نمی پوشاند، تغییر می کرد. آنها همچنین با سطوح کاملا غوطه ور در آب نیز آزمایش را انجام دادند.

پژوهشگران دریافتند که ضریب اصطکاک (نسبت نیروی افقی به نیروی عمودی سطح) وقتی که سطوح کاملا خشک بودند، دارای کمینه مقدار خود به اندازه 0.3 است. با افزایش رطوبت، ضریب اصطکاک در رطوبت 20 درصد به اوج خود در مقدار 0.6 رسید و سپس هنگامی که هوا مرطوبتر شد به آهستگی کاهش یافت. برای حالت کاملا غوطه ور در آب، ضریب اصطکاک حدودا 0.5 بود. یعنی سطوح کاملا مرطوب، نزدیک به دو برابر چسبنده تر از سطوح کاملا خشک بودند.

پژوهشگران ابتدا تلاش کردند تا این رفتار را با در نظر گرفتن پدیده چسبندگی مویینگی درک کنند، یک پدیده شناخته شده از مطالعات تک-ناهمواری. در محیط مرطوب، بخار آب می تواند روی ناهمواری تبدیل به مایع شود تا یک "پل آبی" را شکل دهد که به ناهمواری دیگری روی سطح مجاور متصل می گردد. پل آبی با هر حرکتی (مثل سُر خوردن) که ناهمواری ها را از یکدیگر جدا کند، مخالفت میکند. برای یک سیستمِ متشکل از چندین ناهمواری، یک مدلِ چند پلی، حداکثر مقدار اصطکاک را مجددا در رطوبت حدود 20 درصد نشان داد. اما نتوانست این پدیده را با سطوح کاملا غوطه ور در آب، جایی که اصطکاک بیشتر از حالت خشک بود، توضیح دهد. در هر دو حالت حدی، هیچ پلی وجود ندارد.

برای روشن کردن این معما، پژوهشگران پیوند هیدروژنی را پیشنهاد دادند: جاذبه الکتروستاتیک ضعیف که می تواند بین مولکول های آب و سطوح سیلیکونی شکل بگیرد. برای محک زدن این تفسیر، گروه آزمایشها را با آب سنگین، که ایزوتوپ دوتریوم در آنها با اتمهای هیدروژن جایگزین می شود، تکرار کرد. چون آب سنگین پیوند هیدروژنی قویتری دارد، ضریب اصطکاک بالاتری (0.58) را نسبت به آب معمولی (0.51) در آزمایشهای کاملا غوطه ور در آب ایجاد کرد. پِنگ می گوید تجربه ما از زمین خیس لغزنده اشتباه نیست. کفش های ما و زمین نسبتا ناهموار هستند. بنابراین پستی و بلندی ها بزرگ اند و تمایل دارند که در یکدیگر قفل شوند که موجب مقاومت در برابر لغزش می شود. اگر کمی آب بریزید، آن پستی و بلندی ها می توانند جدا شوند و مقاومت کمتر می شود.

نتایج این پژوهش در شماره اخیر Physical Review Letters منتشر شده است.

منبع:

Researchers explain how wet surfaces can exhibit more friction than dry ones

ترجمه خبر: بهناز ساربانها