Če ste kdaj imeli težave s premikanjem težkega kosa pohištva, ste verjetno opazili, da vrtenje pohištva med potiskanjem olajša stvari. Raziskovalci v Nemčiji in Italiji so zdaj raziskali ta isti pojav na mikrometru in pri tem identificirali pogoje, ki naj bi omogočili mikroskopskim predmetom, da se vrtijo po kristalni površini z najmanjšim navorom. Ta teoretična ugotovitev, ki jo je ekipa podprla s poskusi na drobnih magnetnih kroglicah, bi lahko pomagala pri razvoju mikro- in nanostrojev za aplikacije na področjih, kot sta robotika in dostava zdravil.
Za premikanje predmeta – naj bo velik ali majhen – moramo uporabiti silo, da premagamo njegovo statično translacijsko trenje s podležečo površino. To je osnovno načelo mehanike, vendar je razmerje med translacijskim in rotacijskim trenjem zapleteno in postane še bolj zapleteno na lestvicah majhne dolžine, kjer lahko kontaktne površine vključujejo le nekaj sto atomov. Pri napravah nano velikosti je translacijsko trenje poseben problem, ker njihova visoka razmerja med površino in prostornino pomenijo, da se njihove površine hitro obrabijo in se lahko celo spontano zlepijo skupaj, ko pridejo v stik.
Posnemanje kontaktne površine med dvema atomsko ravnima površinama
Da bi preučili razmerje med statičnim translacijskim in rotacijskim trenjem, so člani ekipe, ki jo je vodil Clemens Bechinger od Univerza v Konstanzu, Nemčija začel z izdelavo kristalnih grozdov mikronskih magnetnih krogel. Nato so te krogle pripeljali v stik s strukturirano površino, ki je vsebovala občasno razmaknjene vdolbinice, kot je škatla za jajca. Ta postavitev posnema vrsto stika, ki se pojavi med dvema atomsko ravnima površinama, pojasnjuje Xin Cao, vodilni avtor članka o raziskavi, objavljenem v Fizični pregled X.
Raziskovalci so nato grozde zavrteli z uporabo rotacijskega magnetnega polja, pri čemer je okoli 10 do 1000 sferičnih delcev iz vsakega grozda ostalo v stiku s površino. Najmanjši navor, potreben za vrtenje grozda, ustreza statičnemu rotacijskemu trenju, za katerega raziskovalci pojasnjujejo, da je podoben statičnemu translacijskemu trenju, ki označuje minimalno silo, potrebno za potiskanje grozda.
Trenje dviguje težo pri vrveh in preji
Ko rotacija preseže določen prag, so raziskovalci ugotovili, da se statično trenje dramatično zmanjša, kar povzroči stanje ultranizkega statičnega trenja za zelo velike grozde. »Takšno stanje z nizkim trenjem omogoča vrtenje mikroskopskih predmetov z uporabo minimalne količine navora in je lahko zelo pomembno za izdelavo in delovanje majhnih mehanskih naprav – od atomskega do mikro merila –, kar nas približa izdelava manjših in učinkovitejših strojev,« pravi Bechinger.
Superpozicija translacije in rotacije
"V vseh realnih okoliščinah je gibanje predmetov superpozicija translacije in rotacije," pravi Svet fizike. »Za mnoge aplikacije je pomembno poznati upor proti trenju, ki ga spremlja takšno gibanje, saj trenje porablja energijo in lahko celo povzroči okvaro naprav. Za razliko od translacijskega trenja je malo znanega o rotacijskem trenju, vendar smo slednjega zdaj obravnavali v naši študiji.
Doslej so se raziskovalci osredotočali na popolnoma periodične površine. "V našem prihodnjem delu bomo uvedli napake, ki so prisotne tudi v številnih okoliščinah," pravi Bechinger.
