Afbeelding van een ruw, gestructureerd oppervlak.

De reactie van een kok op kakkerlakken in de keuken is een goede benadering van de reactie van een natuurkundige op wrijving: het is niet alleen ongewenst, het is ook moeilijk om er vanaf te komen. OK, onze analogie valt bij een laatste hindernis: in tegenstelling tot koks willen de meeste natuurkundigen wrijving niet echt begrijpen.

Dat gezegd hebbende, er zijn een paar fysici met een sterke maag die wrijving proberen te begrijpen. Een van de problemen waarmee ze worden geconfronteerd, is dat wrijving zo individueel is. Elk experiment is anders. Zelfs kopieën van hetzelfde experiment zijn iets anders. Desondanks is één groep er nu in geslaagd om met een algemeen model te komen dat veel van de belangrijkste kenmerken van wrijving nabootst.

Eigenlijk is een deel van die laatste zin een leugen. Het model richt zich op de overgang tussen twee verschillende soorten wrijving. Ik kom daar zo op terug.

Wanneer we wrijving in detail bekijken, worden de redenen die we moeilijk vinden om het te beschrijven duidelijk. Stel je voor dat twee platen over elkaar worden geschoven. Op een bepaald niveau kunnen we zeggen dat wrijving voortkomt uit de aantrekkingskracht tussen de twee platen als gevolg van lokale onevenwichtigheden in de elektronendichtheid. Met andere woorden, de positief geladen bits van de ene plaat worden aangetrokken door de negatief geladen bits van de andere plaat. Tot nu toe, zo geestdodend.

Maar de sterkte van de aantrekkingskracht tussen de platen hangt af van allerlei details over de twee oppervlakken: de materialen, de ruwheid van het oppervlak, de geleidbaarheid van het oppervlak, de scheiding tussen de oppervlakken en nog veel meer. Om dit in detail te modelleren, graaft men een groot pijnlijk gat in de code en begraaft de fysica eronder.

Experimenteel is het nog erger. Als we het experiment twee keer zouden herhalen met dezelfde platen, krijgen we waarschijnlijk een ander resultaat. Waarom? Omdat het eerste experiment het oppervlak zou hebben gewijzigd, wordt het tweede experiment onder verschillende omstandigheden uitgevoerd. Het is genoeg om je te laten wanhopen.

Laten we wrijving nu nog lastiger maken door ons experiment vanuit rust te starten. De platen bewegen niet, en we oefenen kracht uit en nog meer kracht en nog meer kracht. Plots breken de platen los en beginnen te schuiven. De initiële wrijving is veel groter dan de wrijving terwijl de plaat beweegt. Deze twee wrijvingen worden statische en dynamische wrijving genoemd, en de overgang tussen de twee is nogal complexer dan ik zojuist heb beschreven. Je zou denken dat elk model dat zelfs de meest elementaire functies probeert te repliceren, ingewikkeld zou zijn. En je zou het mis hebben.

Om de overgang tussen statische en dynamische wrijving te begrijpen, creëerde een groep onderzoekers een adembenemend eenvoudig model. Een oppervlak is perfect vlak. Een reeks wielen wordt op het oppervlak geplaatst zodat alle wielen met elkaar in contact staan. De wielen kunnen schuiven door een uitgeoefende kracht en ze kunnen roteren door een koppel. Als het ene wiel iets doet, is het in contact met het volgende, dus de krachten en koppels gaan door de ketting.

De wielen worden tegen het oppervlak gehouden door een kracht die loodrecht op het oppervlak staat. Wrijving wordt beschreven door een enkel getal. Geen ingewikkelde natuurkunde voor ons, heel erg bedankt. Het spel dat de onderzoekers spelen is om op een van de wielen de wetten van Newton herhaaldelijk toe te passen totdat de beweging van de wielen stabiliseert. Dan doen ze het opnieuw voor een andere kracht en opnieuw.

Net als in de werkelijkheid zien de onderzoekers een verandering van statische (hoge) wrijving naar dynamische wrijving zodra de kracht boven een bepaalde drempel komt. Door de dynamiek van de wielen nader te onderzoeken, laten ze zien dat de overgang naar dynamische wrijving plaatsvindt omdat de uitgeoefende kracht een golf creëert die zich stabiel langs de wielen voortplant. Die golf maakt beweging langs het oppervlak mogelijk met veel minder kracht dan wanneer er geen golf is.

Het uiterlijk van de golf wordt voorspeld door gedrag waargenomen voor krachten onder de drempel. Voor kleinere krachten worden vergelijkbare golven gegenereerd, maar ze sterven snel uit terwijl ze zich voortplanten, waardoor de overgang naar gemakkelijke beweging wordt voorkomen. De onderzoekers laten dit alles zien met een mooie numerieke analyse van het dynamische systeem.

Het model is opmerkelijk goed in het weergeven van de algemeen waargenomen kenmerken van de overgang van statische naar dynamische wrijving. Het model heeft, zoals de auteurs aangeven, het voordeel dat je direct in de werking kunt graven en precies kunt zien wat er aan de hand is. Dat komt omdat het model niet iets is dat je kunt gebruiken om echte wrijvingskrachten voor realistische situaties te berekenen; in plaats daarvan is het een hulpmiddel voor ontdekking.

Physical Review Journals, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.030602 (Over DOI’s)

By Admin

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *