Järgnev on väljavõte sellest Kleepuv: pindade salateadus autor Laurie Winkless.
Osta raamat
Kleepuv: pindade salateadus
Osta
Interneti nurkades varitseb vooskeem. See on tuttav kõigile, kellele meeldib asju parandada ja valmistada. Ülaosas küsib see 'Kas see liigub?' ja allosas pakub see kahte lahendust: kleeplint, kui soovite midagi paigal hoida, ja WD-40®, kui soovite asju liikuma panna. Neid kahte toodet on pikka aega peetud kohustuslikeks toodeteks. Olulised tööriistad iga töökoja jaoks; piisavalt mitmekülgne, et leida sagedast kasutamist. Olen mõlema fänn.
Mõned aastad tagasi, kui selle raamatu esialgne idee mu peas mürises, mõistsin midagi nende toodete kohta. Kuna üks kleepub kindlalt pindadele, teine aga libiseb objektide vahelt, et neid lahti saada, peetakse neid sageli vastanditeks; nagu oleks igaüks neist kleepuvusest libeduseni skaala lõpp-punkti. Tegelikkuses sellist skaalat ei eksisteeri – ei meie igapäevaelus ega ka uurimislabori kontrollitud keskkonnas. Selle põhjuseks on asjaolu, et sõnad 'kleepuv' ja 'libe' on mitmetähenduslikud ja kindlasti mitte piisavalt täpsed, et eksisteerida üksteisele vastandina. Kuigi neid kasutatakse laialdaselt, tähendavad need erinevatel päevadel erinevatele inimestele erinevaid asju. Olenevalt olukorrast võivad need esile kutsuda ühelt poolt närimiskummi, kleeplindi ja suhkrusiirupi või teiselt poolt jäise tee, WD-40 ja märgade plaatide kujutised. Sõnad 'kleepuv' ja 'libe' samuti ei oletõsimaterjalide omadused nii, nagu näiteks kõvadus ja soojusjuhtivus on. Neil pole kokkulepitud teaduslikke määratlusi ega spetsiifilisi mõõdikuid, mida saaks kasutada nende kvantifitseerimiseks või võrdlemiseks. See kontrast – nende sõnade igapäevaelus esinemise ja teaduskirjandusest puudumise vahel – on üks põhjusi, miks otsustasin seda raamatut nimetada. Kleepuv .
Nagu ma näen, saab seda tuttavat terminit ümber kasutada ja rakendada paljudele huvitavatele interaktsioonidele: täpsemalt kõigile veidratele ja imelistele asjadele, mis juhtuvad pindadel ja nende vahel. Nii palju teadust juhtub seal, kus kaks asja kohtuvad; olgu selleks siis üle kumera pinna voolav õhk, kaks teineteisest libisevat metallitükki või puitplaadile kantud liim. Ja kuigi kleepuvust ei saa mõõta ega määratleda, on palju muid seotud omadusi on mõõdetavad ja terved uurimisvaldkonnad, mis on pühendatud nende määratlemisele.
Triboloogia on üks neist valdkondadest. Mõnikord nimetatakse seda 'hõõrumise ja küürimise teaduseks', keskendudes sellele, kuidas liikuvad pinnad üksteisega suhtlevad. Kuigi esmapilgul võib see tunduda veidi nišš, nagu me avastame, on sellised vastasmõjud kõikjal meie ümber, määrates liustike liikumise kivistel maastikel ja teie arvuti kõvaketta vingumise. Olenemata sektorist, kus nad töötavad, on kõik triboloogid kinnisideeks hõõrdumine , takistusjõud, mis toimib paralleelselt pindadega, et hoida paigal paigal olevaid objekte (staatiline hõõrdumine) või aeglustada liikumist nende vahel, mis liiguvad (kineetiline hõõrdumine).
Mõõtes materjalide vahelisi hõõrdejõude ja lisades need aastakümnete jooksul välja töötatud ja ajakohastatud matemaatilisse mudelitesse, saavad triboloogid pindadest sügava ja keeruka arusaama. Seda tehes saavad nad leida viise, kuidas kontrollida neile mõjuvat hõõrdumist. Iga süsteem, millel on ühendatud osad, olgu see siis tehniline või bioloogiline, on loodud hõõrdumist silmas pidades. Mõnikord on eesmärk seda maksimeerida; et tagada osade vahel haardumine või veojõud isegi äärmuslikes tingimustes. teinekord on vaenlane hõõrdumine, mis paneb asjad sõna otseses mõttes seisma. Mõlemal juhul ei saa me seda ignoreerida, mistõttu on hõõrdumine selle raamatu keskmes. See on niit, mis läbib iga peatüki kangast.
Paljuski pole triboloogia uus teadus. Inimkond on uurinud ja manipuleerinud pinna vastasmõjusid aastatuhandeid, palju kauem, kui meil on olnud nende kirjeldamiseks vajalikke võrrandeid või tööriistu. Selle kuulsa näite võib leida 4000 aastat tagasi Ülem-Egiptuses elanud võimsa provintsikuberneri Djehutihotepi matmishauast. hauakambri rikkalikult kaunistatud seintel on nüüdseks dubleeritud seinamaaling Kolossi transport . Sellel on kujutatud tohutut monumenti puidust kelgu otsas, mida vedasid veoettevõtjad. Monumendi jalamil seisvat üksikut kuju võib näha otse kelgu ette vedelikku kallamas, mida algselt tõlgendati puhtalt tseremoniaalse aktina. Insenerid, kes pilti hiljem nägid, mõtlesid, kas selles on midagi enamat. Kas see vedelik võiks olla ka varase määrdeaine näide; viis raske kelgu mööda liiva libisemist hõlbustada?
2014. aastal otsustas sellele küsimusele vastata professor Daniel Bonni juhitud meeskond. Katse ülesehitus oli üsna lihtne – nad laadisid väikesele kelgule raskusi, tõmbasid selle mööda liivaproove, mis olid segatud erineva koguse veega, ja mõõtsid sellega seotud jõude. Mõõdik, millest nad kõige rohkem huvitatud olid, oli hõõrdetegur ,m(hääldatakse 'mu'). Seda suhet kasutatakse palju triboloogiauuringutes (ja üldiselt inseneriteaduses ja teaduses), kuna see annab teile aimu, kui tugevalt kaks materjalipinda üksteisega suhtlevad. Mida lähemal on selle väärtus nullile, seda kergemini võivad pinnad libisema hakata. Nii et terasel jääl on veidi madalammkui puit-jääl (m= 0,03 versus 0,05), samas kui kummi ja kuival asfaldil hõõrdumise vastastikmõju on 18–30 korda suurem kui kummalgi neist (m= 0,9). See seletab osaliselt, miks rehvid aitavad sõidukitel teel püsida; me käsitleme seda palju rohkem 5. peatükis. Mõõtes mööda üha märjemat liiva veetava kelgu hõõrdetegurit, sai Bonn otseselt kindlaks teha vee lisamise mõju liiva 'libedusele'.
Hõõrdumine oli kõigi kuiva liiva proovide puhul kõrge, tüüpilisegam0,55-st. Bonn omistas selle 'liivahunnikule, [mis] tekib kelgu ette enne, kui see päriselt liikuma hakkab'. Kui ta suurendas veesisaldust, vähenes selle liivahunniku suurus, nagu ka väärtusm. Mõnel juhul langes kelgu ja liiva vaheline hõõrdumine 40% võrra ainult vee lisamise tõttu. Kuid kui liiv sisaldas rohkem kui 5% vett, hakkas hõõrdumine uuesti tõusma, muutes kelgu tõmbamise raskemaks. Uurijad jõudsid järeldusele, et objektide transportimiseks mööda kõrbeliiva on optimaalne kogus vett, mis võib aidata libisemist. Selle taga olev mehhanism on tuttav kõigile, kes on kunagi liivalossi tegemiseks ämbrit täitnud ja ümber pööranud. Kui liiv selle sees on kuiv, voolab see vabalt laiali. Seevastu märg liiv võib tänu liivaterade vahele tekkivatele veesildadele oma kuju säilitada. Kui segu on õige, hoiab vesi materjali koos, pakkudes sileda ja jäiga pinna, millel raskeid esemeid libistada. 2014. aastal Washington Postiga rääkides ütles Bonn, et kui seda määrdemehhanismi suurendataks hiiglasliku kivimonumendi kavandatud suuruseni, tähendaks see seda, et egiptlased vajasid märja liiva tõmbamiseks vaid poolte meeste arvu, võrreldes kuiva liivaga. ... egiptlased olid sellest käepärasest nipist ilmselt teadlikud.
Määrimise maailm on suures osas vee kasutamisest edasi liikunud. Tänapäeval on kaubanduslikult saadaval tuhandeid määrdeaineid, millest enamik põhinevad mineraalõlidel (ehk nafta). Neil kõigil on ühine eesmärk: vähendada hõõrdumist liikuvate pindade vahel, olgu need siis odava muruniiduki või kõrgtehnoloogilise Martian Roveri sees. Nende hõõrdumist vähendavate ühendite ülemaailmne turg on tohutu, 2020. aastal ulatub selle väärtus üle 150 miljardi USA dollari (107 miljardi naela). Peatükis 9 räägime nüüdisaegsetest tahketest määrdeainetest. Vesi mõjutab aeg-ajalt siiski määrimine, eriti geoloogilistes protsessides nagu maalihked ning 6. ja 7. peatükis kirjeldatud maavärinad ja jää. Enamasti avaldab vesi, nagu paljud teised vedelikud, pindadele hõõrdejõudu. See tõmbab objekte, aeglustades nende liikumist. Neid konkreetseid takistusjõude saab läbi mõista vedeliku dünaamika — teadus liikuvate vedelike ja gaaside kohta — ja nende tagajärjed on laialt levinud. Nagu 4. peatükis avastame, juhib iga palli ja iga lennuki lendu seda ümbritsev õhk. Teie seas olevate ujujate jaoks selgitab 3. peatükk, mida on vaja veest läbilõikamiseks, ja tutvute mõne veealuse tehnoloogiaga, mis vähendavad vee mõju, lükates seda pindadelt eemale.
Siiski on palju asju, mis erinevatel põhjustel sellesse raamatusse ei jõudnud. Näiteks plaanisin algselt lisada peatüki pinnateaduse meditsiinilise kasutamise kohta, alates sihipärasest ravimite kohaletoimetamisest konstrueeritud osakeste kaudu kuni rakkude adhesiooni ja kasvu soodustavate implantaatide kavandamiseni. Arvestades, et nende sõnade kirjutamise ajal (jaanuar 2021) mõjutab COVID-19 pandeemia jätkuvalt kõigi planeedil elavate inimeste igapäevaelu viirusega, mis võib levida õhu ja pindade kaudu, on see väljajätmine kahetsusväärne. Kuid tõsi on see, et mul sai nii aeg kui ruum otsa, teema jaoks, mis nõuab mõlemat rohkelt. teised peatükid on lihtsalt fookust muutnud. 2. peatükis uuriti paljusid viise, kuidas loomad kasutavad pinnateadust oma ümbruskonnas navigeerimiseks ja kontrollimiseks. Ämblikud, merisiilikud ja haid olid kõik võimaluste nimekirjas. Selle asemel keskendub peatükk nüüd ainult ühele loomale - gekole. Seda sisalikku uurides köitis mind see: hämmastavad mehhanismid selle ronimisvõime taga ja paljud tehnoloogiad, millest ta on inspireerinud. Ülejäänud raamatus on ka teisi loodusmaailma näiteid. 8. peatükis käsitlesin füüsiku vaatenurka meie kompimismeele ja selle rolli kohta inimühiskonnas. Ja lõpuks, või võib-olla, kõigepealt, 1. peatükk on sissejuhatus kõikidesse nakkuvusasjadesse, sealhulgas kirjeldused selle kohta, kuidas mõned kleepuvad ja libedad tooted, mille kohta minult sageli küsitakse, tegelikult töötavad.
Selle südames Kleepuv on raamat materjalidest ja nende pindadel mõjuvatest jõududest. Ühel või teisel viisil olen selle teema vastu olnud professionaalselt huvitatud aastast 2007. Siis osalesin esimest korda uurimisprojektis, mis käsitles mustriliste pindade kasutamist nii hõõrdumise kui ka vedeliku voolu kontrollimiseks, mis viis tööd vetthülgavate ainete kallal. materjalid muu hulgas. hiljem, kui kirjutasin Teadus ja linn , need pinna vastasmõjud muudkui kerkisid, alates lehtede libedusest raudteeliinil kuni rehvide haardumiseni maanteeni. Hõõrdumise tähtsus kaasaegsele maailmale tundus naeruväärselt ülemäärane, võrreldes meie teadmiste või hindamisvõimega. See on tõesti siis, kui idee Kleepuv kõigepealt võttis võimust. Kui ma hakkasin asju nägema pinnal toimuvate asjade vaatenurgast, ei saanud ma peatuda. See raamat on tulemus.
Kleepuv ei ole mõeldud kõigi teadaolevate pinna interaktsioonide ammendavaks uurimiseks. Samuti ei püüa see olla füüsikaõpik, matemaatiline traktaat hõõrdumise kohta ega süvitsi sukeldumine turu parimatesse liimidesse. Kui see on teadmiste tase, mida otsite, on palju muid viiteid, millele juhin teid hea meelega. Selle asemel leiate nendelt lehtedelt minu lemmiknäiteid selle kohta, kuidas materjalide väliskestale mõjuvad jõud võivad meid ümbritsevat maailma sõna otseses ja kujundlikult kujundada. Nende jõudude mõju ulatub üle teadusdistsipliinide ja selle tulemusena võtab meie teekond üllatavaid pöördeid. Ma arvan (loodan?), et siin on midagi igaühe jaoks.
Neid teemasid uurides on mul olnud eesõigus rääkida paljude põnevate inimestega kogu teadusest ja ühiskonnast. kõik oma ala asjatundjad, andsid nad heldelt aega, et minuga rääkida ja oma teadmisi jagada. Öelda 'olen neile võlgu' oleks alahindamine. Mul on hea meel, et saate igaühega neist kohtuda.
Miks mitte libiseda millessegi mugavasse, kleepida veekeetja külge ja las ma räägin teile mõned lood.
Väljavõte alates Kleepuv: pindade salateadus Laurie Winkless, väljaandja Bloomsbury Sigma.