Mitől lesz valami csúszós vagy ragadós?

Mitől lesz valami csúszós vagy ragadós?

A következő kivonat a Sticky: A felületek titkos tudománya írta Laurie Winkless.


Vásárolja meg a könyvet

Sticky: A felületek titkos tudománya



megvesz

Az internet sarkaiban egy folyamatábra lapul. Mindenki számára ismerős, aki szeret javítani és készíteni dolgokat. Felül a következő kérdés: „Mozog?” alul pedig két megoldást kínál: ragasztószalagot, ha valamit a helyén szeretne tartani, és WD-40®-et, ha mozgatni szeretné a dolgokat. Ezt a két terméket régóta kötelező terméknek tekintik. Nélkülözhetetlen eszközök minden műhelyhez; elég sokoldalú a gyakori használathoz. Mindkettőnek rajongója vagyok.

Néhány évvel ezelőtt, amikor a könyv kezdeti ötlete motoszkált a fejemben, rájöttem valamire ezekről a termékekről. Mivel az egyik szilárdan tapad a felületekhez, míg a másik a tárgyak között csúszik, hogy meglazítsa azokat, gyakran ellentéteknek tekintik őket; mintha mindegyik a ragadósságtól a csúszósságig terjedő skála végpontját foglalná el. A valóságban nem létezik ilyen skála – sem mindennapi életünkben, sem egy kutatólaboratórium ellenőrzött környezetében. Ennek az az oka, hogy a „ragadós” és a „csúszós” szavak kétértelműek, és természetesen nem elég pontosak ahhoz, hogy egymással szemben létezzenek. Bár széles körben használják, különböző napokon mást jelentenek különböző emberek számára. A helyzettől függően egyrészt rágógumi, ragasztószalag és cukros szirup, másrészt jeges út, WD-40 és nedves csempék képét idézhetik elő. A „ragadós” és „csúszós” szavak szintén nemigazanyagok tulajdonságait úgy, ahogy mondjuk a keménység és a hővezető képesség. Nincsenek elfogadott tudományos definícióik, és nincsenek konkrét mérőszámaik, amelyekkel számszerűsítenék vagy összehasonlíthatnák őket. Ez az ellentét – ezeknek a szavaknak a mindennapi életben való jelenléte és a tudományos irodalomból való hiánya között – az egyik ok, amiért úgy döntöttem, hogy ezt a könyvet hívom. Ragadós .

Ahogy én látom, ez az ismerős kifejezés újrafelhasználható, és érdekes interakciók széles skálájára alkalmazható: konkrétan minden olyan furcsa és csodálatos dologra, ami a felületeken és azok között történik. Annyi tudomány történik ott, ahol két dolog találkozik; Legyen szó egy ívelt felületen átáramló levegőről, két egymáson csúszó fémdarabról vagy egy fa deszkára felvitt ragasztóról. És bár a ragadósság nem mérhető vagy definiálható, sok más kapcsolódó tulajdonság is létezik vannak mérhető, és ezek meghatározására szentelt teljes kutatási terület.

A tribológia az egyik ilyen terület. Néha a „dörzsölés és dörzsölés” tudományaként írják le, amelynek középpontjában a mozgó felületek egymás közötti kölcsönhatása áll. Bár első pillantásra ez kissé szűkszavúnak tűnhet, amint azt látni fogjuk, az ilyen kölcsönhatások mindenhol körülvesznek bennünket, meghatározva a gleccserek mozgását a sziklás tájakon és a számítógép merevlemezének zümmögését. Függetlenül attól, hogy melyik ágazatban dolgoznak, minden tribológus megszállottja az súrlódás , az az ellenállási erő, amely a felületekkel párhuzamosan hat, vagy az álló tárgyak helyén tartására (statikus súrlódás), vagy lelassítja a mozgó tárgyak közötti mozgást (kinetikus súrlódás).

Az anyagok közötti súrlódási erők mérésével és az évtizedek óta kifejlesztett és frissített matematikai modellekbe történő beépítésével a tribológusok mély és kifinomult ismereteket szerezhetnek a felületekről. Ennek során módot találhatnak a rájuk ható súrlódás szabályozására. Minden összekapcsolt részekkel rendelkező rendszert, legyen az mérnöki vagy biológiai, a súrlódást szem előtt tartva tervezték. Néha a cél a maximalizálás; hogy extrém körülmények között is tapadást vagy tapadást biztosítson az alkatrészek között. máskor a súrlódás az ellenség, aminek következtében a dolgok szó szerint leállnak. Akárhogy is, nem hagyhatjuk figyelmen kívül, ezért a súrlódás áll ennek a könyvnek a középpontjában. Ez az a fonal, amely minden fejezet szövetén áthalad.



A tribológia sok szempontból nem új tudomány. Az emberiség évezredek óta kutatja és manipulálja a felszíni kölcsönhatásokat, sokkal régebb óta, mint amennyire rendelkezünk az egyenletekkel vagy a leírásukhoz szükséges eszközökkel. Ennek híres példája Djehutihotep, egy nagyhatalmú tartományi kormányzó temetkezési sírjában található, aki 4000 évvel ezelőtt Felső-Egyiptomban élt. a sír gazdagon díszített falain ma már szinkronizált falfestmény látható A Colossus szállítása . Hatalmas emlékművet ábrázol egy faszán tetején, amelyet egy csapat fuvarozó húz. Az emlékmű tövében álló magányos alak közvetlenül a szán elé öntött folyadékot, amit eredetileg pusztán ceremoniális aktusnak értelmeztek. A mérnökök, akik később látták a képet, azon töprengtek, hogy van-e ennél több. Lehet, hogy ez a folyadék egy korai kenőanyagra is példa? módja annak, hogy megkönnyítse a nehéz szán csúsztatását a homokon?

2014-ben Daniel Bonn professzor vezette csapat arra vállalkozott, hogy megválaszolja ezt a kérdést. A kísérleti terv meglehetősen egyszerű volt – súlyokkal megraktak egy kis szánkót, különböző mennyiségű vízzel összekevert homokminták mentén húzták, és megmérték az erőket. A mérőszám, amely a leginkább érdekelte őket, a súrlódási tényező ,m(ejtsd: „mu”). Ezt az arányt gyakran használják a tribológiai tanulmányokban (és általában a mérnöki és természettudományi területeken), mert ez ad támpontot arra vonatkozóan, hogy két anyagfelület milyen erősen kölcsönhatásba lép egymással. Minél közelebb van az értéke a nullához, annál könnyebben kezdenek el csúszni a felületek. Tehát az acél a jégen valamivel alacsonyabbmmint fa-jeges (m= 0,03 versus 0,05), míg a gumi-száraz aszfalton súrlódó kölcsönhatás 18-30-szor nagyobb, mint bármelyik (m= 0,9). Ez részben megmagyarázza, hogy a gumiabroncsok miért segítik a járműveket az úton maradásban; az 5. fejezetben még többet foglalkozunk ezzel. Az egyre nedvesebb homokon húzott szán súrlódási együtthatójának mérésével Bonn közvetlenül meg tudta határozni a víz hozzáadásának a homok „csúszására” gyakorolt ​​hatását.

A súrlódás minden száraz homokmintánál magas volt, jellemzőm0,55-ből. Bonn ezt a „homokkupacnak [amely] a szán előtt képződik, mielőtt az valóban megmozdulhatna” tulajdonította ezt. Ahogy növelte a víztartalmat, a homokhalom mérete csökkent, ahogyan az értéke ism. Egyes esetekben a szán és a homok közötti súrlódás 40%-kal csökkent, pusztán víz hozzáadásával. Ám amint a homok körülbelül 5%-nál több vizet tartalmazott, a súrlódás ismét emelkedni kezdett, ami nehezebbé tette a szán húzását. A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a tárgyak sivatagi homok mentén történő szállításához optimális mennyiségű víz van, amely elősegíti a csúszást. A mögötte lévő mechanizmus mindenki számára ismerős lesz, aki valaha is töltött és felfordított egy vödröt, hogy homokvárat készítsen. Ha a benne lévő homok száraz, akkor szabadon folyik és szétterül. Ezzel szemben a nedves homok megtarthatja alakját, köszönhetően a homokszemcsék közötti vízhidak kialakulásának. Ha megfelelő a keverék, a víz összetartja az anyagot, sima, merev felületet biztosítva a nehéz tárgyak csúsztatásához. 2014-ben a Washington Postnak nyilatkozva Bonn azt mondta, hogy ha ezt a kenőszerkezetet az óriási kőemlékmű tervezett méretére növelnék, az azt jelentené, hogy „az egyiptomiaknak csak a fele kellett a nedves homok áthúzásához, mint a száraz homok. …az egyiptomiak valószínűleg tisztában voltak ezzel a praktikus trükkel.”

A kenés világa nagyrészt elmozdult a víz használatától. Manapság több ezer kenőanyag kapható a kereskedelemben, amelyek többsége ásványolaj (más néven kőolaj) alapú. Mindegyikben közös az a céljuk: a mozgó felületek közötti súrlódás csökkentése, akár egy olcsó fűnyíróban, akár egy csúcstechnológiás Mars Roverben vannak. Ezeknek a súrlódáscsökkentő vegyületeknek a globális piaca óriási, értéke meghaladja a 150 milliárd USD-t (107 milliárd GBP) 2020-ban. Néhány korszerű szilárd kenőanyagról a 9. fejezetben fogunk beszélni. A víz időnként még mindig hatással van kenés, különösen a geológiai folyamatok, például a földcsuszamlások, valamint a 6. és 7. fejezetben leírt földrengések és jég esetén. De gyakran a víz, mint sok más folyadék, súrlódási erőt fejt ki a felületekre. Magával rántja a tárgyakat, lelassítva azokat, ahogy áthaladnak rajta. Ezeket a különleges ellenállási erőket ezen keresztül lehet megérteni folyadékdinamika — a mozgásban lévő folyadékok és gázok tudománya — és ezek következményei széles körben elterjedtek. Ahogy azt a 4. fejezetben felfedezzük, minden labda és minden repülőgép repülését a körülötte lévő levegő irányítja. Az úszók számára a 3. fejezet feltárja, mi kell a vízen való átszeletéshez, és találkozhat néhány olyan víz alatti technológiával, amely csökkenti a víz hatását azáltal, hogy eltolja azt a felszíntől.

Azonban sok olyan dolog van, amely különböző okok miatt nem került be ebbe a könyvbe. Például, amit eredetileg terveztem, az egy fejezet a felszíntudomány orvosi felhasználásáról szól, a célzott gyógyszerbejuttatástól a mesterséges részecskéken keresztül a sejtadhéziót és -növekedést elősegítő implantátumok tervezéséig. Tekintettel arra, hogy miközben ezeket a szavakat írom (2021. január), a COVID-19 világjárvány továbbra is hatással van minden ember mindennapi életére a bolygón egy vírussal, amely levegőn és felületeken is terjedhet, ez a mulasztás sajnálatos. De az igazság az, hogy kifogytam az időből és a térből is, egy olyan témához, amely mindkettőt bőven igényli. más fejezetek csupán fókuszt változtattak. A 2. fejezet azt kívánta megvizsgálni, hogy az állatok milyen sokféle módon használják a felszíntudományt a környezetükben való navigálásra és szabályozásra. A pókok, a tengeri sünök és a cápák mind szerepeltek a lehetőségek listáján. Ehelyett a fejezet most egyetlen állatra összpontosít – a gekkóra. A gyík kutatása során magával ragadott: a mászóképessége mögött meghúzódó elképesztő mechanizmusok és a sok technológia, amelyet inspirált. A könyv többi részében más példák is találhatók a természetből. A 8. fejezetben egy fizikus nézőpontot mutattam be a tapintásunkról és annak az emberi társadalomban betöltött szerepéről. És végül, vagy talán „először is”, az 1. fejezet a tapadás minden témáját ismerteti, beleértve annak leírását is, hogyan is működnek egyes ragadós és csúszós termékek, amelyekről gyakran kérdeznek.

A szívében Ragadós egy könyv az anyagokról és a felületükön ható erőkről. Így vagy úgy, szakmailag 2007 óta érdekel ez a téma. Ekkor vettem részt először egy kutatási projektben, amely a mintás felületek súrlódás és folyadékáramlás szabályozására való felhasználásával foglalkozott, és ennek eredményeként dolgoztam a víztaszító anyagokon. anyagok, többek között. később, amikor írtam Tudomány és a város , ezek a felületi kölcsönhatások csak úgy felbukkantak, a vasútvonal leveleinek csúszósságától kezdve a gumik tapadásán át az úttestig. A súrlódás jelentősége a modern világ számára nevetségesen túlzottnak tűnt ahhoz képest, hogy mi tudtuk vagy értékeltük azt. Valójában ekkor jött az ötlet Ragadós először megfogott. Amikor elkezdtem a dolgokat a felszínen-történik dolgok szemszögéből látni, nem tudtam megállni. Ennek a könyvnek az eredménye.

Ragadós nem célja az összes ismert felületi kölcsönhatás kimerítő feltárása. Nem is egy fizika tankönyv, egy matematikai értekezés a súrlódásról, vagy egy mélyrepülés a piacon lévő legjobb ragasztókba. Ha ez az a tudásszint, amit keres, akkor sok más hivatkozás is van, amelyekre szívesen mutatok. Ehelyett, amit ezeken az oldalakon talál, azok a kedvenc példáim arra, hogy az anyagok külső héjára ható erők szó szerint és átvitt értelemben is alakíthatják a körülöttünk lévő világot. Ezeknek az erőknek a következményei átnyúlnak a tudományos tudományterületeken, és ennek eredményeként utunk meglepő fordulatokat fog tartani. Azt hiszem (remélem?), hogy mindenki számára van itt valami.

E témák kutatása során abban a kiváltságban volt részem, hogy a tudomány és a társadalom számos lenyűgöző emberével beszélgethettem; minden szakterületük szakértője, nagylelkűen áldoztak idejüket, hogy beszéljenek velem és megosszák tudásukat. Ha azt mondanám, hogy „tartozom nekik” – alábecsülés lenne. Örülök, hogy mindegyikükkel találkozhatok.

Szóval miért nem csúszik be valami kényelmes dologba, ragassza fel a vízforralót, és hadd meséljek el néhány történetet.


Kivonat a Sticky: A felületek titkos tudománya Laurie Winkless, a Bloomsbury Sigma kiadó.