تشير دراسة جديدة إلى أن صرير الأحذية الرياضية في كل مكان في ملعب كرة السلة قد يكون ناجما عن أكثر من مجرد الاحتكاك.
لقد وجد الباحثون أن التغريدة الحادة للمطاط على الأرضية الصلبة تحدث عندما تتحرك مناطق صغيرة من الانزلاق بين نعل الحذاء والأرضية بسرعات تفوق سرعة الصوت، وفي بعض التجارب، تضمنت العملية شرارات صغيرة تشبه البرق. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي النتائج إلى فهم أفضل للزلازل وتساعد في تصميم الأسطح المتماسكة.
الدراسة الجديدة نشرت في 25 فبراير في المجلة طبيعةيوضح أن المطاط الناعم لا ينزلق بالطريقة التي يتخيلها الكثير من الناس. فبدلاً من أن يلتصق النعل بالكامل ثم ينزلق مرة واحدة، تتجمع الحركة في جبهات سريعة تشبه التجاعيد تسمى “فتح نبضات الانزلاق” التي تفصل المطاط وتعيد ربطه عبر منطقة الاتصال. تلك النبضات المتكررة تولد الاهتزازات التي تسمعها آذاننا على شكل صرير.
لقد فسر العلماء منذ فترة طويلة الصرير الصادر عن الأحذية ومكابح الدراجات والإطارات باستخدام احتكاك الانزلاق، وهي دورة توقف وانطلق حيث تلتصق الأسطح بشكل متكرر ثم تتحرر. هذا النموذج يعمل بشكل جيد بالنسبة للكثيرين أنظمة صعبة على الصعب، مثل مفصلات الأبواب.
لكن المواد الناعمة مثل المطاط تتصرف بشكل مختلف عندما تنزلق على الأسطح الصلبة.
لفهم فيزياء هذه العملية، تعاون الباحثون في كلية جون بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS) مع خبراء من جامعة نوتنغهام في المملكة المتحدة والمركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي. لقد استخدموا التصوير البصري عالي السرعة والصوت المتزامن لمشاهدة المطاط الناعم يتحرك بسرعة على طول الزجاج الأملس.
لكن ما رأوه لم يكن انزلاقًا سلسًا. وبدلاً من ذلك، تتجمع الحركة في نبضات انزلاقية مفتوحة، تجتاح المطاط في عمليات البدء والتوقف.
“بشكل أساسي، تتحدى هذه النتائج الافتراض السائد منذ فترة طويلة بأن احتكاك المواد اللينة يمكن التقاطه بالكامل من خلال نماذج مبسطة أحادية البعد” Adel Djellouli، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد، أخبر Live Science في رسالة بالبريد الإلكتروني.
البرق الصغير في كل مكان
تكشف النتائج المزيد عن فيزياء الاحتكاك. في الاحتكاك الكلاسيكي بين العصا والانزلاق، يتناوب سطح التلامس بأكمله بين الالتصاق والانزلاق. ومع ذلك، في هذه الدراسة، كانت الحركة أكثر محلية، حيث انفتحت مناطق صغيرة فقط وانزلقت، ثم انتقلت، بينما ظلت المناطق الأخرى على اتصال كامل.
وفي بعض التجارب، شاهد الفريق أيضًا ومضات صغيرة ناجمة عن الاحتكاك، والتي وصفوها بأنها شرارات “برق” مصغرة. وفي بعض الاختبارات، يبدو أن تلك الشرر، أو التفريغات الكهربائية، تؤدي إلى نبضات الانزلاق. لم يكن الشرر هو المصدر الرئيسي لضوضاء الصرير، لكنه أظهر كيف يمكن للطاقة الكهربائية أن تتراكم في النظام عندما يتحرك المطاط.
ووجد الباحثون أيضًا أن شكل المطاط، أكثر من حركته، هو المحدد الرئيسي لطبقة الصرير.
عندما تنزلق الكتل المطاطية المسطحة عبر الزجاج، كانت نبضات الانزلاق غير منتظمة، مما ينتج عنه صوت “أزيز” عريض بدلاً من صرير نظيف. ولكن عندما تابع الباحثون نتوءات رفيعة إلى المطاط، قامت هذه النتوءات باحتجاز النبضات وجعلتها تتكرر على فترات منتظمة.
في الواقع، عملت التلال كدليل، حيث قامت بتوجيه النبضات إلى دورة متكررة. أدى هذا إلى قفل الصوت على تردد أو نغمة معينة. ووجد الفريق أن تردد الصرير هذا يعتمد بشكل أساسي على ارتفاع الحواف المطاطية.
في الواقع، كان النمط موثوقًا للغاية لدرجة أن الفريق صمم كتلًا ذات ارتفاعات مختلفة واستخدمها لتشغيل موضوع الإمبراطورية الإمبراطورية منها “حرب النجوم” باليد.
وأوضح جلولي: “عندما حان الوقت لتشغيل أغنية حرب النجوم، كان علينا أن نتدرب لمدة ثلاثة أيام متواصلة للحصول على الفيديو بشكل صحيح”. “لم يتم تدريب أي منا تمامًا على تأليف الموسيقى باستخدام كتل مطاطية تصدر صوتًا صارخًا، لذا فإن ضبط التوقيت والتقنية استغرق الكثير من التدريب. أعتقد أن الجزء الممتع هو الارتياح الذي شعرنا به في المختبر عندما انتهينا من التسجيل أخيرًا بعد ثلاثة أيام من الصرير المستمر عالي النبرة. كان زملاؤنا سعداء جدًا بالحصول على بعض الهدوء مرة أخرى!”
ما هي الأشياء المشتركة بين الأحذية الرياضية والزلازل؟
النتائج لها آثار تتجاوز تصميم الأحذية. تشترك نبضات الانزلاق في التجارب في السمات الرئيسية مع جبهات التمزق في الزلازل، حيث تنكسر فجأة أجزاء من الصدع وتنزلق بسرعات عالية جدًا.
“عادةً ما يُعتبر الاحتكاك الناعم بطيئًا، ومع ذلك فقد أظهرنا أن صرير حذاء رياضي يمكن أن ينتشر بنفس سرعة أو حتى أسرع من تمزق الصدع الجيولوجي، وأن فيزياءها متشابهة بشكل لافت للنظر،” مؤلف مشارك في الدراسة شموئيل روبنشتاينوأوضح أستاذ الفيزياء في الجامعة العبرية في القدس وأستاذ زائر في SEAS بيان.
وبعيدًا عن تسليط الضوء على فيزياء الزلازل، يمكن أن يساعد هذا العمل المهندسين على تصميم الأسطح التي تتحول بين الحالات الزلقة والقابضة حسب الطلب.
“إن ضبط السلوك الاحتكاكي بسرعة كان حلمًا هندسيًا طويل الأمد” كاتيا بيرتولديوأوضح أستاذ الميكانيكا التطبيقية بجامعة هارفارد: البيان. “إن هذه الرؤية الجديدة حول كيفية تحكم هندسة السطح في نبضات الانزلاق تمهد الطريق أمام مواد احتكاكية قابلة للضبط يمكنها الانتأوضح من حالات الاحتكاك المنخفض إلى الحالات عالية القبضة عند الطلب.”
