Ağır bir mobilya parçasını hareket ettirmekte zorlandıysanız, muhtemelen mobilyayı iterken döndürmenin işleri kolaylaştırdığını fark etmişsinizdir. Almanya ve İtalya'daki araştırmacılar aynı fenomeni mikro ölçekte araştırdılar ve bu süreçte mikroskobik nesnelerin kristal bir yüzey üzerinde minimum torkla dönmesine izin vermesi gereken koşulları belirlediler. Ekibin küçük manyetik küreler üzerinde yapılan deneylerle desteklediği bu teorik bulgu, robotik ve ilaç dağıtımı gibi alanlardaki uygulamalar için mikro ve nano makinelerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.
Büyük ya da küçük bir nesneyi hareket ettirmek için, alttaki yüzeyle olan statik öteleme sürtünmesini yenecek bir kuvvet uygulanmalıdır. Bu, mekaniğin temel bir prensibidir, ancak öteleme ve dönme sürtünmesi arasındaki ilişki karmaşıktır ve temas eden yüzeylerin birkaç yüz kadar az atom içerebildiği küçük uzunluk ölçeklerinde bu durum daha da karmaşık hale gelir. Nano boyutlu cihazlarda öteleme sürtünmesi özel bir sorundur çünkü yüksek yüzey alanı/hacim oranları, yüzeylerinin hızla yıpranmasına ve hatta temasa girdiklerinde kendiliğinden birbirine yapışabileceği anlamına gelir.
Atomik olarak düz iki yüzey arasındaki temas alanını taklit etmek
Statik öteleme ve dönme sürtünmesi arasındaki ilişkiyi incelemek için, liderliğindeki bir ekibin üyeleri Clemens Bechinger arasında Konstanz Üniversitesi, Almanya mikron boyutunda manyetik kürelerin kristal kümelerini oluşturarak işe başladı. Daha sonra bu küreleri, yumurta kartonu gibi periyodik aralıklarla yerleştirilmiş kuyucuklar içeren yapılandırılmış bir yüzeyle temas ettirdiler. Araştırmayla ilgili makalenin baş yazarı Xin Cao, bu düzeneğin atomik olarak düz iki yüzey arasında meydana gelen temas türünü taklit ettiğini açıklıyor. Fiziksel İnceleme X.
Araştırmacılar daha sonra dönen bir manyetik alan kullanarak kümeleri döndürdüler ve her kümeden yaklaşık 10 ila 1000 küresel parçacığı yüzeyle temas halinde tuttular. Kümenin dönmesini sağlamak için gereken minimum tork, statik dönme sürtünmesine karşılık gelir; araştırmacılar bunun, kümeyi itmek için gereken minimum kuvveti karakterize eden statik öteleme sürtünmesine benzer olduğunu açıklar.
Halatlarda ve ipliklerde ağır kaldırmayı sürtünme yapar
Dönme belirli bir eşiği aştığında araştırmacılar statik sürtünmenin önemli ölçüde azaldığını ve çok büyük kümeler için çok düşük bir statik sürtünme durumu ürettiğini buldu. "Böylesine düşük bir sürtünme durumu, mikroskobik nesnelerin minimum miktarda tork uygulayarak döndürülmesine olanak tanıyor ve atomdan mikro ölçeğe kadar küçük mekanik cihazların üretimi ve işleyişiyle son derece alakalı olabilir ve bizi dünyaya daha da yakınlaştırabilir. Bechinger, "Daha küçük ve daha verimli makinelerin farkına varıyoruz" diyor.
Öteleme ve döndürmenin süperpozisyonu
"Herhangi bir gerçekçi koşul altında, nesnelerin hareketi öteleme ve dönmenin üst üste binmesidir" diyor Fizik dünyası. "Birçok uygulama için bu tür bir harekete eşlik eden sürtünme direncini bilmek önemlidir çünkü sürtünme enerji tüketir ve hatta cihazların arızalanmasına bile yol açabilir. Öteleme sürtünmesinden farklı olarak dönme sürtünmesi hakkında çok az şey biliniyor, ancak şimdi çalışmamızda ikincisini ele aldık."
Şimdiye kadar araştırmacılar mükemmel periyodik yüzeylere odaklandılar. Bechinger, "Gelecekteki çalışmalarımızda birçok durumda mevcut olan kusurları da ortaya koyacağız" diyor.
