Hvad gør noget glat eller klæbrigt?

Hvad gør noget glat eller klæbrigt?

Det følgende er et uddrag fra Sticky: The Secret Science of Surfaces af Laurie Winkless.


Køb bogen

Sticky: The Secret Science of Surfaces



Købe

Der er et flowchart, der lurer rundt om hjørnerne af internettet. Det er velkendt for alle, der nyder at ordne og lave ting. Øverst spørger den 'Bevæger den sig?' og i bunden byder den på to løsninger: gaffatape til, når du vil holde noget på plads, og WD-40® til, når du vil have gang i tingene. Disse to produkter har længe været set som must-haves. Væsentlige værktøjer til ethvert værksted; alsidig nok til at finde hyppig brug. Jeg er fan af begge dele.

For et par år siden, da den første idé til denne bog raslede rundt i mit hoved, indså jeg noget om disse produkter. Fordi den ene klæber fast på overflader, mens den anden glider mellem genstande for at løsne dem, bliver de ofte set som modsætninger; som om de hver især indtager et endepunkt på en klæbrighed-til-glidighed-skala. I virkeligheden findes der ikke en sådan skala – ikke i vores hverdag eller i det kontrollerede miljø i et forskningslaboratorium. Det er fordi ordene 'sticky' og 'glad' er tvetydige og bestemt ikke præcise nok til at eksistere i modsætning til hinanden. Selvom de er udbredt, betyder de forskellige ting for forskellige mennesker på forskellige dage. Afhængigt af situationen kan de fremtrylle billeder af tyggegummi, gaffatape og sukkerholdig sirup på den ene side eller en iset vej, WD-40 og våde fliser på den anden. Ordene 'sticky' og 'glad' er heller ikkerigtigtmaterialeegenskaber på den måde, som f.eks. hårdhed og varmeledningsevne er. De har ingen aftalte videnskabelige definitioner og ingen specifikke målinger, der kan bruges til at kvantificere eller sammenligne dem. Denne kontrast – mellem tilstedeværelsen af ​​disse ord i det daglige liv og deres fravær i den videnskabelige litteratur – er en af ​​grundene til, at jeg besluttede at kalde denne bog Klæbrig .

Som jeg ser det, kan dette velkendte udtryk genbruges og anvendes på en bred vifte af interessante interaktioner: specifikt enhver af de mærkelige og vidunderlige ting, der sker på og mellem overflader. Der sker så meget videnskab, hvor to ting mødes; uanset om det er luft, der strømmer over en buet overflade, to stykker metal, der glider langs hinanden, eller lim påført en planke af træ. Og selvom klæbrighed ikke er noget, der kan måles eller defineres, er der masser af andre relaterede egenskaber, der er målbare og hele forskningsområder dedikeret til at definere dem.

Tribologi er et af disse områder. Nogle gange beskrevet som videnskaben om at 'gnide og skrubbe', er dens fokus på, hvordan bevægelige overflader interagerer med hinanden. Selvom det ved første øjekast kan virke en smule nicheagtigt, som vi vil opdage, er sådanne interaktioner overalt omkring os, der definerer gletsjeres bevægelse på klippefyldte landskaber og susen fra en harddisk i din computer. Uanset hvilken sektor de arbejder i, er det noget, alle tribologer er besat af friktion , den modstandskraft, der virker parallelt med overflader, enten for at holde stationære genstande på plads (statisk friktion) eller for at bremse bevægelsen mellem dem, der bevæger sig (kinetisk friktion).

Ved at måle friktionskræfterne mellem materialer og indarbejde dem i matematiske modeller, der er blevet udviklet og opdateret gennem årtier, kan tribologer få en dyb og sofistikeret forståelse af overflader. På den måde kan de finde måder at kontrollere den friktion, der virker på dem. Ethvert system med tilsluttede dele, hvad enten det er konstrueret eller biologisk, er designet med friktion i tankerne. Nogle gange er målet at maksimere det; at give greb eller trækkraft mellem komponenter selv under ekstreme forhold. andre gange er friktion fjenden, hvilket får tingene til bogstaveligt talt at gå i stå. Uanset hvad, kan vi ikke ignorere det, hvorfor friktion er kernen i denne bog. Det er tråden, der løber gennem stoffet i hvert kapitel.



På mange måder er tribologi ikke en ny videnskab. Menneskeheden har udforsket og manipuleret overfladeinteraktioner i årtusinder, langt længere end vi har haft de ligninger eller de nødvendige værktøjer til at beskrive dem. Et berømt eksempel på dette kan findes i graven til Djehutihotep, en magtfuld provinsguvernør, der boede i Øvre Egypten for 4.000 år siden. på gravens rigt dekorerede vægge er et vægmaleri nu døbt Transport af kolossen . Det forestiller et kæmpe monument på toppen af ​​en træslæde, slæbt af et hold vognmænd. En enlig skikkelse, der står for foden af ​​monumentet, kan ses hælde væske direkte foran slæden, i hvad der oprindeligt blev tolket som en ren ceremoniel handling. Ingeniører, der senere så billedet, spekulerede på, om der var mere i det. Kunne denne væske også være et eksempel på et tidligt smøremiddel; en måde at gøre det lettere at glide den tunge slæde langs sandet?

I 2014 satte et hold ledet af professor Daniel Bonn ud for at besvare det spørgsmål. Det eksperimentelle design var ret simpelt - de læssede en lille slæde med vægte, trak den langs prøver af sand, der var blevet blandet med varierende mængder vand, og målte de involverede kræfter. Den metrik, de var mest interesseret i, var friktionskoefficient ,m(udtales 'mu'). Dette forhold bruges meget i tribologistudier (og i teknik og videnskab generelt), fordi det giver dig et fingerpeg om, hvor stærkt to materialeoverflader interagerer med hinanden. Jo tættere dens værdi er på nul, jo lettere kan overfladerne begynde at glide. Så stål-på-is har en lidt laveremend træ-på-is (m= 0,03 versus 0,05), hvorimod friktionsinteraktionen mellem gummi-på-tør-asfalt er 18-30 gange højere end nogen af ​​dem (m= 0,9). Dette forklarer til dels, hvorfor dæk hjælper køretøjer med at blive på vejen; vi vil dække meget mere om dette i kapitel 5. Ved at måle friktionskoefficienten for den slæde, der trækkes langs mere og mere vådt sand, kunne Bonn direkte bestemme den effekt, som tilsætning af vand havde på sandets 'gladhed'.

Friktionen var høj for alle de tørre sandprøver, med en typiskmpå 0,55. Bonn tilskrev dette til 'dyngen af ​​sand [der] dannes foran slæden, før den virkelig kan begynde at bevæge sig'. Efterhånden som han øgede vandindholdet, faldt størrelsen af ​​den sanddynge, ligesom værdien afm. I nogle tilfælde faldt friktionen mellem slæden og sandet med 40 %, udelukkende ved tilsætning af vand. Men når sandet indeholdt noget ud over omkring 5 % vand, begyndte friktionen at stige igen, hvilket gjorde slæden sværere at trække. Forskerne konkluderede, at til transport af genstande langs ørkensand er der en optimal mængde vand, der kan hjælpe med at glide. Mekanismen bag den vil være bekendt for enhver, der nogensinde har fyldt og vendt en spand for at lave et sandslot. Hvis sandet indeni er tørt, vil det flyde og spredes frit. Derimod kan vådt sand bevare sin form, takket være dannelsen af ​​vandbroer mellem sandkornene. Hvis du får den helt rigtige blanding, holder vandet materialet sammen og giver en glat, stiv overflade, hvorpå tunge genstande kan glide. I en tale til Washington Post tilbage i 2014 sagde Bonn, at hvis denne smøremekanisme blev skaleret op til den forventede størrelse af det gigantiske stenmonument, ville det betyde, 'at egypterne kun behøvede halvdelen af ​​mændene til at trække over vådt sand sammenlignet med tørt sand. … egypterne var sandsynligvis klar over dette praktiske trick.”

Smøringens verden er stort set gået videre fra at bruge vand. I dag er der tusindvis af smøremidler tilgængelige kommercielt, hvoraf størstedelen er baseret på mineralolier (alias petroleum). Fælles for dem alle er deres mål: at reducere friktionen mellem bevægelige overflader, uanset om de er inde i en billig plæneklipper eller en højteknologisk Martian Rover. Det globale marked for disse friktionsreducerende forbindelser er enormt, med en værdi på over 150 milliarder USD (107 milliarder GBP) i 2020. Vi vil tale om nogle avancerede faste smøremidler i kapitel 9. Vand påvirker stadig lejlighedsvis smøring, især i geologiske processer som jordskred og i jordskælv og is i kapitel 6 og 7. Men oftere end ikke udøver vand, ligesom mange andre væsker, en friktionskraft på overflader. Den trækker på objekter og bremser dem, når de bevæger sig gennem den. Disse særlige modstandskræfter kan forstås igennem væskedynamik -videnskaben om væsker og gasser i bevægelse - og deres implikationer er udbredte. Som vi vil opdage i kapitel 4, styres hver bolds og hvert flys flyvning af luften omkring den. For svømmerne blandt jer vil kapitel 3 afdække, hvad der skal til for at skære gennem vand, og du vil møde nogle undervandsteknologier, der reducerer vands indflydelse ved at skubbe det væk fra overflader.

Der er dog mange ting, som af forskellige årsager ikke kom med i denne bog. For eksempel var noget, jeg oprindeligt havde planlagt at inkludere, et kapitel om den medicinske anvendelse af overfladevidenskab, fra målrettet lægemiddellevering via konstruerede partikler til design af implantater, der fremmer celleadhæsion og vækst. I betragtning af, at mens jeg skriver disse ord (januar 2021), fortsætter COVID-19-pandemien med at påvirke hverdagen for alle på planeten med en virus, der kan overføres med luft og på overflader, er denne udeladelse beklagelig. Men sandheden er, at jeg løb tør for både tid og rum, til et emne, der kræver masser af begge dele. andre kapitler har blot ændret fokus. Kapitel 2 skulle udforske de mange måder, som dyr bruger overfladevidenskab til at navigere og kontrollere deres omgivelser på. Edderkopper, søpindsvin og hajer var alle på listen over muligheder. I stedet fokuserer kapitlet nu på kun ét dyr - gekkoen. Da jeg forskede i denne firben, blev jeg fanget af den: de forbløffende mekanismer bag dens klatreevne og de mange teknologier, den har inspireret. Der er andre eksempler fra den naturlige verden spredt ud over resten af ​​bogen. I kapitel 8 har jeg taget en fysikers perspektiv på vores følesans og dens rolle i det menneskelige samfund. Og til sidst, eller måske 'for det første', er kapitel 1 en introduktion til alt, hvad der har med adhæsion at gøre, inklusive beskrivelser af, hvordan nogle af de klæbrige og glatte produkter, som jeg ofte bliver spurgt om, faktisk virker.

I sit hjerte, Klæbrig er en bog om materialer og de kræfter, der spiller på deres overflader. På den ene eller anden måde har jeg været fagligt interesseret i dette emne siden 2007. Det var, da jeg første gang blev involveret i et forskningsprojekt i brugen af ​​mønstrede overflader til at kontrollere både friktion og væskeflow, hvilket førte til arbejdet med vandafvisende materialer bl.a. senere, da jeg skrev Videnskaben og byen , disse overfladeinteraktioner blev bare ved med at dukke op, fra glatte blade på jernbanelinjen til dækgrebet til vejen. Betydningen af ​​friktion for den moderne verden virkede latterligt overdimensioneret sammenlignet med vores viden eller forståelse af den. Det er egentlig, når ideen til Klæbrig først tog fat. da jeg først begyndte at se tingene fra synspunktet om ting-der-sker-på-overflader, kunne jeg ikke stoppe. Denne bog er resultatet.

Klæbrig er ikke beregnet til at være en udtømmende udforskning af alle kendte overfladeinteraktioner. Det forsøger heller ikke at være en fysiklærebog, en matematisk afhandling om friktion eller et dybtdykning i de bedste lim på markedet. Hvis det er det vidensniveau, du leder efter, er der masser af andre referencer, som jeg med glæde vil henvise dig til. I stedet er det, du finder på disse sider, mine yndlingseksempler på, hvordan de kræfter, der virker på materialernes ydre hud, bogstaveligt og billedligt kan forme verden omkring os. Implikationerne af disse kræfter går på tværs af videnskabelige discipliner, og som et resultat vil vores rejse tage nogle overraskende drejninger. Jeg tror (håber?), at der er noget her for enhver smag.

Når jeg forskede i disse emner, har jeg haft det privilegium at tale med en række fascinerende mennesker fra hele videnskaben og samfundet; alle eksperter inden for deres respektive områder gav de generøst deres tid til at tale med mig og dele deres viden. At sige 'jeg skylder dem' ville være en underdrivelse. Jeg glæder mig til, at du skal møde hver af dem.

Så hvorfor ikke smutte ind i noget behageligt, sæt på kedlen, og lad mig fortælle dig nogle historier.


Uddrag fra Sticky: The Secret Science of Surfaces af Laurie Winkless, udgivet af Bloomsbury Sigma.