La fricción se crea cuando dos superficies se deslizan una encima de la otra. Dado que esto consume energía adicional, esta llamada fricción deslizante se considera un aspecto molesto pero inevitable de los procesos dinámicos. Sin embargo, para poner un objeto estacionario en movimiento, suLa fricción estática debe ser superada primero. En colaboración con sus colegas italianos, investigadores de la Universidad de Konstanz han demostrado cómo suprimir por completo la fricción estática entre dos superficies. Esto significa que incluso una fuerza minúscula es suficiente para poner objetos en movimiento. Especialmente en piezas micromecánicas, donde solo pequeñas fuerzas están en juego, una desaparición de la fricción estática puede conducir a niveles de eficiencia enormemente mejorados. Estos hallazgos se han publicado en la edición actual de la revista en línea Revisión física X PRX.
Para mover un bloque de madera a través de una mesa hay que tirar de él. Cuando Leonardo da Vinci examinó esta relación engañosamente simple hace más de 500 años, descubrió las leyes básicas de la fricción por deslizamiento. Dado que la fricción por deslizamiento generalmente genera calor, unodebe jalar constantemente el trozo de madera para compensar las pérdidas por fricción. Sin embargo, para generar movimiento en primer lugar, no es la fricción deslizante sino la fricción estática lo que debe superarse. La fricción estática es generalmente mayor que la fricción deslizante y es el resultado dela estructura atómica de las superficies de contacto se bloquea en su lugar. Las superficies solo pueden liberarse y moverse una contra la otra una vez que la fuerza aplicada ha alcanzado los niveles adecuados.
Trabajando con físicos de las Universidades de Milán y Trieste, un grupo de trabajo de la Universidad de Konstanz dirigido por el profesor Clemens Bechinger pudo realizar experimentos y simulaciones numéricas que confirmaron una predicción hecha por el físico Serge Aubry en la década de 1980: postuló que, siel espacio entre celosías entre las partículas en una superficie difería ligeramente del espacio entre celosías en la otra, la fricción entre las dos superficies debería desaparecer por completo. Esto incluso se espera que se aplique si las dos superficies se presionan juntas. En términos prácticos, esto significaríaque una fuerza aleatoriamente pequeña sería suficiente para mover un trozo de madera que pesa toneladas a través de una superficie.
Este efecto se puede observar particularmente bien en contactos ideales, donde ambas superficies son perfectamente planas una contra la otra. Es este tipo de superficies que Clemens Bechinger y su equipo pudieron crear en un sistema modelo: utilizando rayos láser y esferas de vidrioen el rango de mircometre, los llamados coloides, pudieron crear un modelo bidimensional de dos superficies que se frotaban entre sí. Dado que las esferas cargadas eléctricamente se repelen, se colocan en una capa plana ordenada periódicamente. Esta monocapa coloidalforma una de las dos superficies. Los investigadores crearon la segunda superficie debajo de la capa de coloides mediante el uso de tres rayos láser. Como resultado de su superposición, se forma un cristal ligero, que es una especie de caja de huevos óptica con huecos y crestas ".En comparación con las superficies reales, estas superficies ópticas tienen la ventaja adicional de ser completamente transparentes, lo que significa que podemos observar directamente los procesos en el trabajo entre ellas utilizando un micrófonoroscope ", dice Thorsten Brazda, el investigador doctoral que realizó los experimentos en el grupo de Bechinger para su tesis doctoral.
Si bien Aubry restringió su predicción a contactos unidimensionales a temperaturas de punto cero, la colaboración de la investigación fue capaz de demostrar que los contactos bidimensionales extendidos a temperatura ambiente también se pueden poner en movimiento sin fricción estática ".Convierta la configuración unidimensional artificial de Aubry en una situación realista y demuestre que su idea sigue siendo válida en sistemas bidimensionales y a temperaturas finitas ", comenta Clemens Bechinger.
La observación directa de los movimientos de partículas también permitió a los investigadores comprender la desaparición de la fricción estática entre la monocapa coloidal y el cristal de luz: resulta que la monocapa coloidal se retuerce muy ligeramente en relación con la rejilla óptica. De esta forma, las partículas lo hacenno se adhieren a los huecos del sustrato, del cual no les resultaría fácil escapar. En cambio, algunos de ellos se colocan alrededor de las crestas. Si se aplica fuerza externa, estas partículas no tienen que escapar de los huecos, pero sonlibre de moverse de inmediato tan pronto como se ejerza una cantidad mínima de fuerza. La fricción estática desaparece.
Estos resultados, que están en excelente acuerdo con las simulaciones numéricas realizadas por el equipo italiano, muestran que la fricción estática no solo se puede suprimir, sino que también se genera como se desea si aumenta la presión de contacto entre las dos superficies. Esto es importante en la medida en queLa fricción estática, en contraste con la fricción deslizante, es a menudo un fenómeno deseado. Nos permite agarrar objetos de forma segura y asegura que las ruedas tengan suficiente agarre. Esta forma de variar la fricción estática crea nuevas oportunidades para mover objetos fácilmente a través de las superficies y bloquearcolóquelos en su lugar de forma segura. Esto sería una gran ventaja en las cajas de engranajes o acoplamientos micro y nanomecánicos, ya que, aquí, típicamente solo están en juego fuerzas muy pequeñas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Constanza . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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