Αν δυσκολευτήκατε ποτέ να μετακινήσετε ένα βαρύ έπιπλο, πιθανότατα έχετε παρατηρήσει ότι η περιστροφή των επίπλων ενώ τα σπρώχνετε διευκολύνει τα πράγματα. Ερευνητές στη Γερμανία και την Ιταλία έχουν τώρα διερευνήσει αυτό το ίδιο φαινόμενο σε μικροκλίμακα και, στη διαδικασία, εντόπισαν τις συνθήκες που θα πρέπει να επιτρέπουν στα μικροσκοπικά αντικείμενα να περιστρέφονται σε μια κρυσταλλική επιφάνεια με ελάχιστη ροπή. Αυτό το θεωρητικό εύρημα, το οποίο υποστήριξε η ομάδα με πειράματα σε μικροσκοπικές μαγνητικές σφαίρες, θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη μικρο- και νανο-μηχανών για εφαρμογές σε τομείς όπως η ρομποτική και η διανομή φαρμάκων.
Για να μετακινήσετε ένα αντικείμενο – είτε είναι μεγάλο είτε μικρό – πρέπει να εφαρμόσετε μια δύναμη για να ξεπεράσετε τη στατική μεταφορική τριβή του με την υποκείμενη επιφάνεια. Αυτή είναι μια βασική αρχή της μηχανικής, ωστόσο η σχέση μεταξύ μεταφορικής και περιστροφικής τριβής είναι πολύπλοκη και γίνεται ακόμη περισσότερο σε κλίμακες μικρού μήκους όπου οι επιφάνειες επαφής μπορούν να περιλαμβάνουν μόλις μερικές εκατοντάδες άτομα. Σε συσκευές νανομεγέθους, η μεταφορική τριβή είναι ένα ιδιαίτερο πρόβλημα επειδή η υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο σημαίνει ότι οι επιφάνειές τους φθείρονται γρήγορα και μπορεί ακόμη και να κολλήσουν αυθόρμητα μεταξύ τους καθώς έρχονται σε επαφή.
Μίμηση της περιοχής επαφής μεταξύ δύο ατομικά επίπεδων επιφανειών
Για τη μελέτη της σχέσης μεταξύ στατικής μεταφορικής και περιστροφικής τριβής, μέλη μιας ομάδας με επικεφαλής Κλέμενς Μπεχίνγκερ του Πανεπιστήμιο της Konstanz, Γερμανία ξεκίνησε φτιάχνοντας κρυσταλλικά σμήνη μαγνητικών σφαιρών μεγέθους μικρού. Στη συνέχεια έφεραν αυτές τις σφαίρες σε επαφή με μια δομημένη επιφάνεια που περιείχε φρεάτια σε περιοδική απόσταση όπως ένα χαρτοκιβώτιο αυγών. Αυτή η διάταξη μιμείται τον τύπο επαφής που συμβαίνει μεταξύ δύο ατομικά επίπεδων επιφανειών, εξηγεί ο Xin Cao, επικεφαλής συγγραφέας μιας εργασίας σχετικά με την έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Φυσική εξέταση X.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές περιέστρεψαν τα σμήνη χρησιμοποιώντας ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, διατηρώντας περίπου 10 έως 1000 σφαιρικά σωματίδια από κάθε σύμπλεγμα σε επαφή με την επιφάνεια. Η ελάχιστη ροπή που απαιτείται για να περιστραφεί το σύμπλεγμα αντιστοιχεί στη στατική περιστροφική τριβή, η οποία οι ερευνητές εξηγούν ότι είναι παρόμοια με τη στατική μεταφορική τριβή που χαρακτηρίζει την ελάχιστη δύναμη που απαιτείται για την ώθηση του συστάδας.
Η τριβή κάνει τη βαριά ανύψωση σε σχοινιά και νήματα
Μόλις η περιστροφή ξεπεράσει ένα ορισμένο όριο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η στατική τριβή μειώνεται δραματικά, δημιουργώντας μια κατάσταση εξαιρετικά χαμηλής στατικής τριβής για πολύ μεγάλα σμήνη. «Μια τέτοια κατάσταση χαμηλής τριβής επιτρέπει σε μικροσκοπικά αντικείμενα να τίθενται σε περιστροφή εφαρμόζοντας μια ελάχιστη ποσότητα ροπής και μπορεί να είναι πολύ σημαντική για την κατασκευή και τη λειτουργία μικρών μηχανικών συσκευών – από την ατομική έως τη μικροκλίμακα – φέρνοντάς μας πιο κοντά στο υλοποιώντας μικρότερες και πιο αποτελεσματικές μηχανές», λέει ο Bechinger.
Μια υπέρθεση μετάφρασης και περιστροφής
«Υπό οποιεσδήποτε ρεαλιστικές συνθήκες, η κίνηση των αντικειμένων είναι μια υπέρθεση της μετάφρασης και της περιστροφής», λέει. Κόσμος Φυσικής. «Για πολλές εφαρμογές είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την αντίσταση τριβής που συνοδεύεται από τέτοια κίνηση γιατί η τριβή καταναλώνει ενέργεια και μπορεί ακόμη και να οδηγήσει σε αστοχία συσκευών. Σε αντίθεση με τη μεταφορική τριβή, λίγα είναι γνωστά για την περιστροφική τριβή, αλλά τώρα έχουμε ασχοληθεί με το τελευταίο στη μελέτη μας».
Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές έχουν επικεντρωθεί σε απόλυτα περιοδικές επιφάνειες. «Στη μελλοντική μας εργασία, θα εισαγάγουμε ελαττώματα, τα οποία επίσης υπάρχουν υπό πολλές συνθήκες», λέει ο Bechinger.
