Следва извадка от Sticky: Тайната наука за повърхностите от Лори Уинклес.
Купете книгата
Sticky: Тайната наука за повърхностите
Купува
В ъглите на интернет се крие блок-схема. Позната е на всеки, който обича да поправя и прави неща. Най-отгоре пита „Does It Move?“ и в долната част предлага две решения: тиксо, когато искате да задържите нещо на място, и WD-40®, когато искате да раздвижите нещата. Тези два продукта отдавна се възприемат като задължителни. Основни инструменти за всяка работилница; достатъчно гъвкав, за да намери честа употреба. Фен съм и на двете.
Преди няколко години, докато първоначалната идея за тази книга се въртеше в главата ми, разбрах нещо за тези продукти. Тъй като единият се придържа здраво към повърхностите, докато другият се плъзга между предметите, за да ги разхлаби, те често се разглеждат като противоположности; сякаш всеки от тях заема крайна точка на скала от лепкавост към хлъзгавост. В действителност не съществува такъв мащаб - нито в ежедневието ни, нито в контролираната среда на изследователска лаборатория. Това е така, защото думите „лепкав“ и „хлъзгав“ са двусмислени и със сигурност не са достатъчно точни, за да съществуват в опозиция една на друга. Макар и широко използвани, те означават различни неща за различните хора в различните дни. В зависимост от ситуацията те могат да създадат образи на дъвка, тиксо и захарен сироп от една страна или заледен път, WD-40 и мокри плочки от друга. Думите „лепкав“ и „хлъзгав“ също не савярносвойства на материалите по начина, по който са, да речем, твърдостта и топлопроводимостта. Те нямат съгласувани научни дефиниции и специфични показатели, които могат да се използват за количествено определяне или сравняване. Този контраст – между присъствието на тези думи в ежедневието и липсата им в научната литература – е една от причините да реша да нарека тази книга Лепкава .
Както виждам, този познат термин може да бъде преназначен и приложен към огромен набор от интересни взаимодействия: по-конкретно всяко от странните и прекрасни неща, които се случват на и между повърхностите. Толкова много наука се случва там, където две неща се срещат; дали това е въздух, течащ върху извита повърхност, две парчета метал, плъзгащи се едно покрай друго, или лепило, нанесено върху дървена дъска. И докато лепкавостта не е нещо, което може да бъде измерено или дефинирано, има много други свързани свойства, които са измерими и цели области на изследване, посветени на определянето им.
Трибологията е една от тези области. Понякога описвана като наука за „триене и търкане“, нейният фокус е върху това как движещите се повърхности взаимодействат една с друга. Въпреки че на пръв поглед това може да изглежда малко ниша, както ще открием, подобни взаимодействия са навсякъде около нас, определяйки движението на ледниците върху скалисти пейзажи и свистенето на твърд диск във вашия компютър. Независимо от сектора, в който работят, нещо, от което всички триболози са обсебени триене , съпротивителната сила, която действа успоредно на повърхностите, или за да държи неподвижни обекти на място (статично триене), или за да забави движението между тези, които се движат (кинетично триене).
Чрез измерване на силите на триене между материалите и включването им в математически модели, които са разработвани и актуализирани в продължение на десетилетия, триболозите могат да съберат дълбоко и сложно разбиране на повърхностите. По този начин те могат да намерят начини да контролират триенето, което им действа. Всяка система със свързани части, независимо дали е инженерна или биологична, е проектирана с оглед на триенето. Понякога целта е да се увеличи максимално; за осигуряване на сцепление или сцепление между компонентите дори при екстремни условия. друг път триенето е врагът, карайки нещата буквално да спрат. Така или иначе, не можем да го пренебрегнем, поради което триенето е в основата на тази книга. Това е нишката, която минава през тъканта на всяка глава.
В много отношения трибологията не е нова наука. Човечеството изследва и манипулира повърхностните взаимодействия от хилядолетия, много по-дълго, отколкото сме разполагали с уравненията или инструментите, необходими за тяхното описание. Известен пример за това може да се намери в гробницата на Джехутихотеп, могъщ губернатор на провинция, живял в Горен Египет преди 4000 години. върху богато украсените стени на гробницата има стенопис, който сега е дублиран Транспорт на колоса . Той изобразява огромен паметник върху дървена шейна, влачена от екип превозвачи. Може да се види самотна фигура, стояща в подножието на паметника, която излива течност точно пред шейната, което първоначално се тълкува като чисто церемониален акт. Инженерите, които по-късно видяха изображението, се чудеха дали има нещо повече. Може ли тази течност също да бъде пример за ранен лубрикант; начин да улесните плъзгането на тежката шейна по пясъка?
През 2014 г. екип, ръководен от професор Даниел Бон, се зае да отговори на този въпрос. Експерименталният план беше доста прост - те натовариха малка шейна с тежести, теглиха я по проби от пясък, смесени с различни количества вода, и измериха включените сили. Показателят, който ги интересуваше най-много, беше коефициент на триене ,м(произнася се „му“). Това съотношение се използва много в трибологичните изследвания (и в инженерството и науката като цяло), защото ви дава представа колко силно взаимодействат помежду си две материални повърхности. Колкото по-близка е стойността му до нула, толкова по-лесно повърхностите могат да започнат да се плъзгат. Така че стомана върху лед има малко по-нискамотколкото дърво върху лед (м= 0,03 спрямо 0,05), докато фрикционното взаимодействие на каучук върху сух асфалт е 18–30 пъти по-високо от всяко от тях (м= 0,9). Това отчасти обяснява защо гумите помагат на превозните средства да останат на пътя; ще разгледаме много повече за това в Глава 5. Чрез измерване на коефициента на триене на шейната, теглена по все по-мокър пясък, Бон може директно да определи ефекта, който добавянето на вода има върху „хлъзгавостта“ на пясъка.
Триенето беше високо за всички проби от сух пясък, с типичномот 0,55. Бон приписва това на „купчината пясък [която] се образува пред шейната, преди тя наистина да започне да се движи“. Тъй като той увеличи съдържанието на вода, размерът на тази купчина пясък намаля, както и стойността нам. В някои случаи триенето между шейната и пясъка спадна с 40%, единствено чрез добавяне на вода. Но след като пясъкът съдържа нещо над около 5% вода, триенето отново започва да се изкачва, което прави шейната по-трудна за теглене. Изследователите заключават, че за транспортиране на предмети по пустинен пясък има оптимално количество вода, което може да помогне при плъзгане. Механизмът зад него ще бъде познат на всеки, който някога е пълнил и обръщал кофа, за да направи пясъчен замък. Ако пясъкът вътре е сух, той ще тече и ще се разпръсне свободно. Обратно, мокрият пясък може да запази формата си, благодарение на образуването на водни мостове между пясъчните зърна. Ако получите правилната смес, водата държи материала заедно, осигурявайки гладка, твърда повърхност, върху която да се плъзгат тежки предмети. Говорейки пред Washington Post през 2014 г., Бон каза, че ако този механизъм за смазване бъде увеличен до предвидения размер на гигантския каменен монумент, това би означавало, че „египтяните са се нуждаели само от половината мъже, за да теглят върху мокър пясък в сравнение със сух … египтяните вероятно са знаели за този удобен трик.
Светът на смазването до голяма степен се е отдалечил от използването на вода. Днес в търговската мрежа има хиляди смазочни материали, повечето от които са базирани на минерални масла (известни още като петрол). Общото между всички тях е тяхната цел: да намалят триенето между движещите се повърхности, независимо дали са в евтина косачка или високотехнологичен марсиански роувър. Глобалният пазар за тези съединения за намаляване на триенето е огромен, на стойност над 150 милиарда щатски долара (£107 милиарда) през 2020 г. Ще говорим за някои най-съвременни твърди смазочни материали в глава 9. Водата все още от време на време оказва влияние смазване, особено при геоложки процеси като свлачища и при земетресения и лед от глави 6 и 7. Но по-често водата, както много други течности, упражнява сила на триене върху повърхностите. Той влачи предмети, като ги забавя, докато се движат през него. Тези специфични съпротивителни сили могат да бъдат разбрани чрез динамика на течностите — науката за течностите и газовете в движение — и техните последици са широко разпространени. Както ще открием в глава 4, полета на всяка топка и всеки самолет се контролира от въздуха около тях. За плувците сред вас Глава 3 ще разкрие какво е необходимо, за да прорежете водата и ще се запознаете с някои подводни технологии, които намаляват влиянието на водата, като я избутват от повърхностите.
Има обаче много неща, които по различни причини не са попаднали в тази книга. Например, нещо, което първоначално планирах да включа, беше глава за медицинските употреби на науката за повърхността, от целево доставяне на лекарства чрез инженерни частици до проектиране на импланти, които насърчават клетъчната адхезия и растеж. Като се има предвид, че докато пиша тези думи (януари 2021 г.), пандемията COVID-19 продължава да оказва влияние върху ежедневния живот на всеки на планетата с вирус, който може да се предава по въздуха и по повърхности, този пропуск е за съжаление. Но истината е, че ми свършиха и времето, и пространството за тема, която изисква много и от двете. други глави просто са променили фокуса. Глава 2 щеше да изследва многото начини, по които животните използват науката за повърхността, за да навигират и контролират заобикалящата ги среда. Паяци, морски таралежи и акули бяха в списъка с възможности. Вместо това, сега главата се фокусира само върху едно животно – гекона. При изследването на този гущер бях запленен от него: удивителните механизми зад способността му за катерене и многото технологии, които е вдъхновил. Има и други примери от естествения свят, разпръснати в останалата част от книгата. В глава 8 разгледах гледната точка на физика за нашето усещане за допир и за неговата роля в човешкото общество. И накрая, или може би „първо“, Глава 1 е въведение към всички неща, свързани с адхезията, включително описание на това как някои от лепкавите и хлъзгави продукти, за които често ме питат, действително работят.
В сърцето си, Лепкава е книга за материалите и силите, действащи върху техните повърхности. По един или друг начин се интересувам професионално от тази тема от 2007 г. насам. Тогава за първи път се включих в изследователски проект за използването на шарени повърхности за контролиране както на триенето, така и на потока течност, което доведе до работа върху водоотблъскващи материали, наред с други неща. по-късно, когато пишех Науката и градът , тези повърхностни взаимодействия просто продължаваха да се появяват, от хлъзгавостта на листата по железопътната линия до сцеплението на гумите с пътя. Значението на триенето за съвременния свят изглеждаше смешно преувеличено в сравнение с нашите знания или оценка за него. Това наистина е, когато идеята за Лепкава първо се захвана. след като започнах да виждам нещата от гледна точка на нещата, които се случват на повърхността, не можех да спра. Тази книга е резултатът.
Лепкава няма за цел да бъде изчерпателно изследване на всички известни повърхностни взаимодействия. Нито пък се опитва да бъде учебник по физика, математически трактат за триенето или задълбочено гмуркане в най-добрите лепила на пазара. Ако това е нивото на знания, което търсите, има много други препратки, към които с радост ще ви насоча. Вместо това, това, което ще намерите на тези страници, са любимите ми примери за това как силите, които действат върху външната обвивка на материалите, могат буквално и образно да оформят света около нас. Последствията от тези сили засягат научни дисциплини и в резултат на това нашето пътуване ще приеме някои изненадващи обрати. Мисля (надявам се?), че тук има по нещо за всеки.
При изследването на тези теми имах привилегията да говоря с набор от очарователни хора от цялата наука и общество; всички експерти в съответните си области, те щедро отделиха времето си, за да говорят с мен и да споделят знанията си. Да се каже „имам дълг“ би било подценяване. Радвам се да се запознаеш с всеки от тях.
Така че защо не се облечете в нещо удобно, залепите чайника и нека ви разкажа някои истории.
Извадка от Sticky: Тайната наука за повърхностите от Laurie Winkless, публикувано от Bloomsbury Sigma.