Wiemy, dlaczego buty do koszykówki piszczą. Chodzi o miniaturowe pioruny
Pisk opon podczas gwałtownego hamowania, pisk hamulców w rowerze czy wreszcie ten niezwykle charakterystyczny, przenikliwy pisk butów do koszykówki na wypolerowanej hali. Znamy to wszyscy z codziennego życia. Zastanawialiście się kiedyś, skąd właściwie bierze się ten hałas?
Przez dekady podręczniki do fizyki spłycały ten temat, zrzucając winę na klasyczne, naprzemienne tarcie. Najnowsze badania pokazują jednak, że w momencie, gdy stawiamy krok na parkiecie, pod naszą podeszwą zachodzą zjawiska, o których nie śniło się przysłowiowym filozofom.
Do tej pory w świecie nauki dominowało przekonanie, że za irytujące piski odpowiada cykl tak zwanego tarcia ślizgowego, polegającego na przerywanym przyklejaniu się i odrywaniu dwóch powierzchni. I choć ta teoria świetnie sprawdza się w przypadku twardych materiałów, na przykład skrzypiących zawiasów w starych drzwiach, to kompletnie nie radzi sobie z opisem kontaktu miękkiego materiału z twardym podłożem. Guma na szkle czy drewnie zachowuje się po prostu inaczej.
Aby rzucić światło na ten słabo poznany proces, międzynarodowy zespół badaczy z Harvardu, Uniwersytetu w Nottingham oraz francuskiego CNRS postanowił sięgnąć po najnowocześniejszą technologię.
Naukowcy wykorzystali kamery rejestrujące aż milion klatek na sekundę, by na własne oczy zobaczyć, jak zmienia się styk gumy i szkła podczas gwałtownego poślizgu. Co ciekawe, sama mechanika eksperymentu była nowoczesną wariacją na temat badań nad tarciem, które w XV wieku prowadził sam Leonardo da Vinci.
Wyniki tych arcyciekawych badań, opublikowane na łamach prestiżowego magazynu Nature, wywracają naszą dotychczasową wiedzę do góry nogami.
Więcej na Spider's Web:
Naddźwiękowe fale i uwięzione błyskawice
Dzięki synchronizacji superszybkiego obrazu z precyzyjnymi pomiarami dźwięku badacze odkryli, że ruch miękkiego materiału po twardej powierzchni wcale nie jest jednostajny. Pisk nie jest efektem przypadkowych szarpnięć, jak sugerowała stara szkoła.
Zamiast tego na styku materiałów powstają mikroskopijne, przypominające zmarszczki fale odrywania, które pędzą wzdłuż powierzchni z ogromnymi prędkościami. To właśnie częstotliwość powtarzania się tych naddźwiękowych impulsów generuje słyszalny przez nas dźwięk.
Na tym jednak nie koniec niespodzianek. Superszybkie kamery uchwyciły zjawisko, którego absolutnie nikt się tam nie spodziewał. Okazało się, że w pewnych warunkach wspomnianym falom poślizgu towarzyszy... światło.
Tarcie gumy wywołuje wyładowania triboelektryczne, co oznacza, że pod podeszwą buta powstają miniaturowe pioruny. To właśnie ta uwięziona mikrobłyskawica często działa jak zapalnik, inicjujący gwałtowny uślizg i towarzyszący mu pisk.
Jak to wszystko wygląda w ruchu, a nawet same wyładowania elektryczne, zobaczycie na nagraniu niżej. Warto!
Marsz Imperialny zagrany na kawałku gumy
W trakcie laboratoryjnych testów udowodniono również, że kluczową rolę w generowaniu hałasu odgrywa geometria samej podeszwy. Kiedy po szkle przesuwano całkowicie gładkie bloki gumy, powstające impulsy były nieregularne i chaotyczne.
W efekcie powstawał szerokopasmowy, szumiący dźwięk, przypominający raczej podmuch wiatru. Wystarczyło jednak dodać na gumie cienkie wypustki, podobne do bieżnika na naszych butach, aby dynamika całkowicie się zmieniła.
Wypustki sprawiły, że impulsy zostały uwięzione w uporządkowanym rytmie, tworząc czysty, wyraźny pisk. Naukowcy zauważyli, że częstotliwość dźwięku zależy bezpośrednio od wysokości gumowego bloku.
Zależność ta okazała się na tyle precyzyjna i przewidywalna, że badacze dla żartu stworzyli zestaw gumowych klocków o różnych wymiarach i zagrali na nich główny motyw muzyczny z Gwiezdnych Wojen, przesuwając je po prostu po blacie. Nagranie zobaczyć możecie niżej i przyznać trzeba, że jest to jedno z oryginalniejszych interpretacji kultowego tematu muzycznego.
Zrozumienie, jak drobne detale na powierzchni wpływają na zachowanie materiału, to ogromny krok w stronę projektowania inteligentnych struktur, które będą mogły na żądanie zmieniać swoje właściwości z wyjątkowo śliskich na niezwykle przyczepne.
Co łączy sneakersy z trzęsieniem ziemi?
Wnioski płynące z tych badań wykraczają daleko poza irytujący hałas na szkolnej sali gimnastycznej. Fizyka rządząca wspomnianymi falami odrywania na styku gumy i szkła jest uderzająco wręcz podobna do dynamiki trzęsień ziemi. Pęknięcia i uskoki przemieszczające się wzdłuż płyt tektonicznych robią to z ogromnymi prędkościami, często zbliżającymi się do prędkości dźwięku.
Choć tarcie miękkich materiałów zazwyczaj kojarzy nam się z powolnymi, leniwymi procesami, eksperyment z Harvardu udowadnia, że zjawiska pod podeszwą zwykłego buta mogą rozchodzić się równie szybko, co potężne pęknięcia geologiczne.
To przełomowe połączenie dwóch zupełnie odmiennych światów nauki pokazuje, że najtrudniejsze zagadki natury często ukrywają się w najbardziej prozaicznych dźwiękach naszej codzienności.
