Čo robí niečo klzkým alebo lepkavým?

Čo robí niečo klzkým alebo lepkavým?

Nasleduje úryvok z Sticky: Tajná veda o povrchoch od Laurie Winkless.


Kúpte si knihu

Sticky: Tajná veda o povrchoch



Kúpiť

V kútoch internetu číha vývojový diagram. Pozná to každý, kto rád veci opravuje a vyrába. V hornej časti sa pýta „Pohybuje sa?“ a v spodnej časti ponúka dve riešenia: lepiacu pásku, keď chcete niečo držať na svojom mieste, a WD-40®, keď chcete dať veci do pohybu. Tieto dva produkty sú už dlho vnímané ako must have. Základné nástroje pre každú dielňu; dostatočne všestranný, aby našiel časté použitie. Som fanúšikom oboch.

Pred pár rokmi, keď mi v hlave koloval prvotný nápad na túto knihu, som si o týchto produktoch niečo uvedomil. Pretože jeden pevne priľne na povrchy, zatiaľ čo druhý vkĺzne medzi predmety, aby ich uvoľnil, sú často vnímané ako protiklady; ako keby každá zaberala koncový bod stupnice lepkavosti až klzkosti. V skutočnosti takáto škála neexistuje – ani v našom každodennom živote, ani v kontrolovanom prostredí výskumného laboratória. Je to preto, že slová „lepkavý“ a „klzký“ sú nejednoznačné a určite nie sú dostatočne presné, aby existovali vo vzájomnej opozícii. Hoci sú široko používané, pre rôznych ľudí znamenajú rôzne veci v rôznych dňoch. V závislosti od situácie môžu vykúzliť obrázky žuvačiek, lepiacej pásky a cukrového sirupu na jednej strane alebo zľadovatenej cesty, WD-40 a mokrých dlaždíc na strane druhej. Slová „lepkavý“ a „klzký“ tiež nie súpravdavlastnosti materiálov, povedzme, tvrdosť a tepelná vodivosť. Nemajú žiadne dohodnuté vedecké definície a žiadne špecifické metriky, ktoré by sa dali použiť na ich kvantifikáciu alebo porovnanie. Tento kontrast – medzi prítomnosťou týchto slov v každodennom živote a ich absenciou vo vedeckej literatúre – je jedným z dôvodov, prečo som sa rozhodol nazvať túto knihu Lepkavý .

Ako to vidím ja, tento známy výraz sa dá prepracovať a použiť na obrovské množstvo zaujímavých interakcií: konkrétne na akékoľvek divné a úžasné veci, ktoré sa dejú na povrchoch a medzi nimi. Toľko vedy sa deje tam, kde sa stretnú dve veci; či už je to vzduch prúdiaci cez zakrivený povrch, dva kusy kovu kĺzajúce po sebe alebo lepidlo nanesené na drevenú dosku. A hoci lepivosť nie je niečo, čo sa dá merať alebo definovať, existuje veľa ďalších súvisiacich vlastností merateľné a celé oblasti výskumu venované ich definovaniu.

Tribológia je jednou z týchto oblastí. Niekedy sa to opisuje ako veda o „šúchaní a drhnutí“ a zameriava sa na to, ako sa pohybujúce sa povrchy navzájom ovplyvňujú. Ako zistíme, na prvý pohľad sa to môže zdať trochu špeciálne, takéto interakcie sú všade okolo nás a definujú pohyb ľadovcov na skalnatej krajine a svišťanie pevného disku vo vašom počítači. Bez ohľadu na sektor, v ktorom pracujú, je niečo, čím sú všetci tribológovia posadnutí trenie , odporová sila, ktorá pôsobí rovnobežne s povrchmi, buď na udržanie stacionárnych predmetov na mieste (statické trenie), alebo na spomalenie pohybu medzi tými, ktoré sa pohybujú (kinetické trenie).

Meraním trecích síl medzi materiálmi a ich začlenením do matematických modelov, ktoré boli vyvíjané a aktualizované v priebehu desaťročí, môžu tribológovia získať hlboké a sofistikované pochopenie povrchov. Pri tom môžu nájsť spôsoby, ako kontrolovať trenie, ktoré na nich pôsobí. Každý systém s pripojenými časťami, či už skonštruovaný alebo biologický, bol navrhnutý s ohľadom na trenie. Niekedy je cieľom maximalizovať ho; na zabezpečenie priľnavosti alebo trakcie medzi komponentmi aj v extrémnych podmienkach. inokedy je nepriateľom trenie, ktoré spôsobuje, že sa veci doslova zastavia. Tak či onak, nemôžeme to ignorovať, a preto je jadrom tejto knihy trenie. Je to vlákno, ktoré prechádza tkaninou každej kapitoly.



V mnohých ohľadoch nie je tribológia novou vedou. Ľudstvo skúma a manipuluje s povrchovými interakciami po tisícročia, oveľa dlhšie, ako sme mali rovnice alebo nástroje potrebné na ich opis. Slávny príklad toho možno nájsť v pohrebnej hrobke Djehutihotepa, mocného provinčného guvernéra, ktorý žil v Hornom Egypte pred 4000 rokmi. na bohato zdobených stenách hrobky je nástenná maľba, ktorá je dnes dabovaná Preprava Kolosu . Zobrazuje obrovský pamätník na drevených saniach, ťahaný tímom dopravcov. Osamelú postavu stojacu pri úpätí pamätníka je možné vidieť, ako nalieva tekutinu priamo pred sane, čo sa spočiatku interpretovalo ako čisto ceremoniálny akt. Inžinieri, ktorí obraz neskôr videli, sa pýtali, či za tým nie je niečo viac. Mohla by byť táto kvapalina tiež príkladom skorého maziva; spôsob, ako uľahčiť posúvanie ťažkých saní po piesku?

V roku 2014 sa tím pod vedením profesora Daniela Bonna rozhodol odpovedať na túto otázku. Experimentálny dizajn bol celkom jednoduchý – naložili malé sane závažiami, ťahali ich po vzorkách piesku, ktoré boli zmiešané s rôznym množstvom vody, a zmerali príslušné sily. Metrika, ktorá ich najviac zaujímala, bola Koeficient trenia ,m(vyslovuje sa „mu“). Tento pomer sa často používa v štúdiách tribológie (a vo všeobecnosti v inžinierstve a vede), pretože vám dáva predstavu o tom, ako silne vzájomne pôsobia dva povrchy materiálov. Čím je jeho hodnota bližšie k nule, tým ľahšie sa môžu povrchy začať kĺzať. Steel-on-ice má teda o niečo nižšiemako drevo na ľade (m= 0,03 oproti 0,05), pričom trecia interakcia gumy na suchom asfalte je 18–30-krát vyššia ako u oboch (m= 0,9). To čiastočne vysvetľuje, prečo pneumatiky pomáhajú vozidlám zostať na ceste; Oveľa viac sa tomu budeme venovať v kapitole 5. Meraním koeficientu trenia saní ťahaných po čoraz vlhkejšom piesku mohol Bonn priamo určiť vplyv pridávania vody na „klzkosť piesku“.

Trenie bolo vysoké pre všetky vzorky suchého piesku s typickýmm0,55. Bonn to pripísal „kope piesku [ktorá] sa vytvorí pred saňami skôr, ako sa môžu začať hýbať“. Keď zvýšil obsah vody, veľkosť tejto hromady piesku sa zmenšila, rovnako ako hodnotam. V niektorých prípadoch sa trenie medzi saňami a pieskom znížilo o 40 %, a to výlučne pridaním vody. Ale akonáhle piesok obsahoval niečo viac ako 5% vody, trenie začalo opäť stúpať, takže sane sa ťažšie ťahali. Vedci dospeli k záveru, že na prepravu predmetov po púštnom piesku existuje optimálne množstvo vody, ktoré môže pomôcť pri kĺzaní. Mechanizmus za ním bude známy každému, kto niekedy naplnil a prevrátil vedro, aby vytvoril hrad z piesku. Ak je piesok vo vnútri suchý, bude stekať a voľne sa rozprestierať. Naproti tomu mokrý piesok si môže zachovať svoj tvar, a to vďaka vytváraniu vodných mostov medzi zrnkami piesku. Ak sa zmestí správne, voda drží materiál pohromade a poskytuje hladký, tuhý povrch, po ktorom sa dajú kĺzať ťažké predmety. V rozhovore pre Washington Post v roku 2014 Bonn povedal, že ak by sa tento mazací mechanizmus zväčšil na projektovanú veľkosť obrovského kamenného monumentu, znamenalo by to, „že Egypťania potrebovali len polovicu mužov na pretiahnutie vlhkého piesku v porovnaní so suchým. ... Egypťania si pravdepodobne boli vedomí tohto praktického triku.“

Svet mazania sa do značnej miery posunul od používania vody. Dnes sú komerčne dostupné tisíce mazív, z ktorých väčšina je založená na minerálnych olejoch (aka ropných). Všetci majú spoločný cieľ: znížiť trenie medzi pohyblivými povrchmi, či už sú v lacnej kosačke na trávu alebo v špičkovom marťanskom Roveri. Globálny trh s týmito zmesami znižujúcimi trenie je obrovský a v roku 2020 má hodnotu viac ako 150 miliárd USD (107 miliárd GBP). O niektorých najmodernejších tuhých mazivách si povieme v kapitole 9. Voda stále občas ovplyvňuje mazanie, najmä pri geologických procesoch, ako sú zosuvy pôdy a pri zemetraseniach a ľade v kapitolách 6 a 7. Voda, podobne ako mnohé iné tekutiny, však častejšie pôsobí na povrchy trecou silou. Ťahá za predmety a spomaľuje ich, keď sa nimi pohybujú. Tieto konkrétne odporové sily možno pochopiť prostredníctvom dynamika tekutín —veda o pohybe kvapalín a plynov — a ich dôsledky sú rozšírené. Ako zistíme v kapitole 4, let každej lopty a každého lietadla je riadený vzduchom okolo. Pre plavcov medzi vami kapitola 3 odhalí, čo je potrebné na prerezanie sa vodou, a stretnete sa s niektorými podvodnými technológiami, ktoré znižujú vplyv vody tým, že ju odtláčajú od povrchov.

Je však veľa vecí, ktoré sa z rôznych dôvodov do tejto knihy nedostali. Napríklad niečo, čo som pôvodne plánoval zahrnúť, bola kapitola o medicínskom využití povrchovej vedy, od cieleného podávania liečiv cez upravené častice až po navrhovanie implantátov, ktoré podporujú bunkovú adhéziu a rast. Vzhľadom na to, že keď píšem tieto slová (január 2021), pandémia COVID-19 naďalej ovplyvňuje každodenný život každého na planéte vírusom, ktorý sa môže prenášať vzduchom a povrchmi, je toto opomenutie poľutovaniahodné. Ale pravdou je, že mi došiel čas aj priestor na tému, ktorá si vyžaduje veľa oboch. ostatné kapitoly len zmenili zameranie. Kapitola 2 sa chystala preskúmať mnoho spôsobov, akými zvieratá využívajú povrchovú vedu na navigáciu a ovládanie svojho okolia. Pavúky, morskí ježkovia a žraloky boli všetci na zozname možností. Namiesto toho sa kapitola teraz zameriava iba na jedno zviera - gekona. Pri výskume tejto jašterice ma uchvátila: úžasné mechanizmy za jej schopnosťou šplhať a mnohé technológie, ktoré inšpiroval. Po zvyšku knihy sú roztrúsené ďalšie príklady z prírodného sveta. V kapitole 8 som zaujal pohľad fyzika na náš zmysel pre dotyk a na jeho úlohu v ľudskej spoločnosti. A nakoniec, alebo možno „po prvé“, kapitola 1 je úvodom do všetkých vecí priľnavosti, vrátane opisu toho, ako niektoré lepkavé a klzké produkty, na ktoré sa ma často pýtajú, skutočne fungujú.

vo svojom srdci, Lepkavý je kniha o materiáloch a silách pôsobiacich na ich povrchoch. Tak či onak sa o túto tému profesionálne zaujímam od roku 2007. Vtedy som sa prvýkrát zapojil do výskumného projektu využitia vzorovaných povrchov na kontrolu trenia aj prúdenia tekutín, čo viedlo k práci na vodoodpudivých materiály, okrem iného. neskôr, keď som písal Veda a mesto Tieto povrchové interakcie sa neustále objavovali, od šmykľavosti lístia na železničnej trati po priľnavosť pneumatík k vozovke. Dôležitosť trenia pre moderný svet sa zdala smiešne predimenzovaná v porovnaní s našimi znalosťami alebo ocenením. To je naozaj, keď nápad na Lepkavý prvý sa uchytil. akonáhle som začal vidieť veci z pohľadu vecí, ktoré sa dejú na povrchu, nemohol som prestať. Táto kniha je výsledkom.

Lepkavý nie je zamýšľaný ako vyčerpávajúci prieskum všetkých známych povrchových interakcií. Nesnaží sa byť ani učebnicou fyziky, matematickým pojednaním o trení alebo hlbokým ponorom do najlepších lepidiel na trhu. Ak je to úroveň vedomostí, ktorú hľadáte, existuje veľa ďalších odkazov, na ktoré vás rád nasmerujem. Namiesto toho to, čo nájdete na týchto stránkach, sú moje obľúbené príklady toho, ako sily, ktoré pôsobia na vonkajšiu vrstvu materiálov, môžu doslova a do písmena formovať svet okolo nás. Dôsledky týchto síl sa prelínajú naprieč vedeckými disciplínami a výsledkom je, že naša cesta bude mať niekoľko prekvapivých zvratov. Myslím (dúfam?), že je tu niečo pre každého.

Pri skúmaní týchto tém som mal tú česť hovoriť s množstvom fascinujúcich ľudí z celej vedy a spoločnosti; všetci odborníci vo svojich oblastiach, veľkoryso venovali svoj čas, aby sa so mnou porozprávali a podelili sa o svoje znalosti. Povedať „Dlhujem im“ by bolo slabé slovo. Teším sa, že sa s každým z nich stretnete.

Tak prečo nevkĺznuť do niečoho pohodlného, ​​nalepiť na kanvicu a dovoľte mi povedať vám niekoľko príbehov.


Výňatok z Sticky: Tajná veda o povrchoch od Laurie Winkless, ktorú vydalo vydavateľstvo Bloomsbury Sigma.