מכל מלמדײ השכלתי (duchifat) wrote,
מכל מלמדײ השכלתי
duchifat

Category:

о моих научных интересах

В этом журнале я нередко пишу (обычно под замком) о всяческих околонаучных коллизиях и интригах. Как они видятся с моей точки зрения, конечно. Сегодня я, вместо этого, напишу собственно о науке -- попробую сформулировать популярно, чем я занимаюсь последнее время и почему. У любого человека, который несколько лет занимается наукой, есть какая-то своя тема, что-то, что он хочет в жизни доказать. Конечно, пишу это для того, чтобы лишний раз отрефлексировать и посмотреть, как это будет выглядеть в написанном виде по-русски. Напомню, что по специальности я "инженер мезаник-исследователь" (так записано у меня в дипломе) и PhD Mechanical Engineering (Applied Mechanics). Занимаюсь я в основном трением (трибологией)


Из школьной физики многие помнят кулонов закон сухого трения, утверждающий, что сила трения пропорционально силе нормальной нагрузки: F=mu*W. Закон этот, при всей своей простоте и даже примитивности, обладает удивительной универсальностью. Дело в том, что трение не имеет какого-либо единого механизма. Процессов, приводящих к диссипации энергии при скольжении – множество. Самые распространенные это адгезия (сила притяжения между поверхностями, вызываемые ван-дер-ваальсовским, капиллярным, химическим, электростатическим и др. взаимодействием), деформация мельчайших выступов-шерховатостей, карабкание по наклонной поверхности выступов, пластическое течение спаек между шерховатостями, распространение краевых дислокаций вдоль интерфейса и др. Все эти процессы удивитьным образом ведут к одному закону трения, который верен и для нагрузок в сотни тонн, и для наноньютонов.

Классических объяснений линейности трения несколько. Самое известное (принадлежащее еще да Винчи и Кулону) связывает коеффициент трения со средним наклоном выступов шерховатости. Для металлов и технических поверхностей принята теория Гринвуда-Вильямсона, согласно которой истинная площадь контакта (она составляет только малую часть от номинальной площади из-за шерховатости поверхности) почти линейно пропорциональна силе нагрузки. Это доказывается при помощи статистического анализа (для большинства типичных распределений высоты выступов шерховатостей, таких как гауссово) и предположения об эластической или пластической деформации выступов. Ну а сила трения из-за адгезии пропорциональна истинной площади поверхности. Есть и ряд других оригинальных объяснений.

Мне интересно взглянуть на эту проблему с другой стороны. Линейность обычно является результатом линеаризации, упрощения какой-то более сложной нелинейной функции в небольшой окресности. Математически это предполагает малый параметр. Что общего у всех разных механизмов трения? Выходит, у них у всех должен быть некий малый параметр. Физически несложно предположить, откуда он берется. Трение это поверхностное явление. Поверхность противостоит внутреннему объему (surface vs. bulk). Силы действующие на поверхности, через интерфейс между двумя телами, малы по сравнению с силами, действующими внутри. В некотором смысле (на мой взгляд) это попросту определение поврхности или границы: то, где силы малы по сравнению с объемными. Из этой нехитрой идеи можно указать малый параметр для большинства механизмов трения.

В более существенном смысле, однако, трение нелинейно. Во-первых, коеффициент трения все же (вопреки Кулону) немного зависит от скорости скольжения, силы нагрузки и размера контакта. Кстати, все три связаны друг с другом (вообще-то это не случайно, законов Кулона три, см обсуждение тут). Во-вторых, конечно, трение нелинейно в том смысле, что оно зависит от знака скорости, а sign(x) функция нелинейная. Это выражается в том, что задачи с сухим трением нелинейны математически, в них проявляются всякие странные нелинейные эффекты вроде парадоксов Пенлеве.

Трение это проявление диссипации и необратимости. В идеальном мире, где все силы потенциальные и обратимые, а тела – жесткие, ни трения ни диссипации бы не было. Как только появляется неидеальность (в виде необратимости связи, например, химической, или же деформации, даже и упругой), возникает диссипация и необратимость. Универсальным образом необратимость присутствует везде, и трение тоже присутствует везде. Остается выделить разные типы неидеальности, соответствующие различным механизмам трения.

Дальше больше, как известно из сочинений всяческих синергетиков, нелинейность связана с иерархической организацией. Поверхность имеет иерархическую (многоуровневую) структуру, с неидеальностями от атомарного уровня до микрон. Механизмы трения, соответственно, тоже могут иметь иерархическую организацию. Наряду со случайной шерховатой и с фрактальной поверхностью, иерархическая поверхность, по-моему, третий важнейший вид.

Кстати (я обнаружил это недавно) в 90-е годы в СССР некие исследолватели (некто И.С.Гершман и др. предложили теорию самоорганизующихся систем с трением в духе работ Пригожина. Я об этом узнал надавно наткнувшись на книжку (на английском) русского исследователя Фокс-Рабиновича о самоорганизации при трении. Они рассуждают о производстве энропии при трении, о самоорганизации в виде подстройки трущащихся поверхностей друг под друга (в результате износа). Но есть ли от этого практическая польза, я не знаю. Железнодорожники, пытающиеся сказать слово в физики, выглядат странно, но почему они это делают --- понятно (я и сам инженер по образованию).

Что касается иерархической структуры поверхности, то она связана с другой интересной областью – бионикой или биомиметикой, то есть имитации биологических объектов с необходимыми свойствами. Например, насекомые могут производить материалы с уникальными свойствами. Скажем, волокно паутины прочнее стали, при этом паук производит его огромное количество (в сравнении со своим размером). При использовании обычных технологий, скажем, чтобы произвести сталь, требуются высокие температуры и давление, а биологические организмы ухитряются обойтись без всего этого. Биологические объекты используют во многих случаях иерархическую организацию и структуру. Это позволяет им адаптироваться к ситуации, не имея «чертежа» готового продукта, а используя некие генетические алгоритма. Две наиболее известных биологических поверхности, свойства которых инженеры пытыаюся воспроизвести, это лапа геккона и лист лотоса. Ящерица геккон, благодаря многоуровневой структуре, может иметь очень высокую адгезию (ходить по стенам), но быстро отрываться от поверхности при необходимости. На основе этого эффекта пытаются создать, например, клейкую ленту. Лист лотоса отталкивает воду, капли которой катятся по шерховатой поверхности.

Смачивание, в том числе смачивание шерховатых поверхностей – большая область физической химии. Между трением и смачиванием много общего, поскольку оба явления включают диссипацию. Смачивание, на мой взгляд, это тоже иерархический, многоуровневый процесс, который можно описывать на молекулярном, микро и макро уровне. Смачивание связано с любопытными переходами из одного режима в другой (например, полное смачивание и частичное смачивание), которые сродни фазовым переходам и могут анализироваться соответствующими методами (фазовыми полями, например). Смачивание включает диссипативные механизмы связанные с адгезией (на контактной поверхности) и с кинетикой контактной линии (то есть двумерные и одномерные). Сходным образом трение обусловлено адгезией и деформацией. Кстати, при трении тоже существуют разные режимы, похожие на фазовые состояния, в частности, залипание, проскальзывание и суперсмазка (stick, slip, and superlubricity). Смачивание шерховатых поверхностей включает немало и чисто концептуальных проблем (вроде описания топографии поверхности, адекватного для механизмов смачивания).

Смачивание тесно связано с капиллярными эффектами, которые очень значительны в микро-(и нано-)мире, поскольку проявляются на малых расстояниях. . Благодаря капиллярности, многие проблемы наномеханики значительно отличаются от макромеханики. В частности, вода в микроскопических объемах, конденсирующаяся в районе контакта выступов шерховатостей или микро-частиц в виде копиллярных мостов или менисков, играет большую роль. Давление в конденсированных мостах понижено в сравнении с атмосферным. Разница в давлении приводит к притяжению (капиллярной адгезии) между частицами или шерховатостями, и это одна из доминирующих компонент в силе адгезии (а значит, и трении). От конденсации сложно избавиться, т.к. пар всегда присутствует в воздухе, даже при низкой влажности, и это большая технологическая проблема для микро и нано-устройств.

Интересно, что давление в капиллярных мостах может понижаться ниже нуля. Такая растягиваемая вода под отрицательным давлением не типична в макромире, но гораздо более вероятна в микросистемах. При отрицательном давлении вода далжна бы кипеть, но жидкое метастабильное состояние может сохраняться некоторое время (а в микромире – долгое время) подобно переохлажденной (ниже нуля) или перегретой (выше ста градусов) воде. Вообще, фазовая диаграмма воды в капиллярных мостах отличается от привычной, например, многие говорят о льде при комнатной температуре или об устойчивой промежуточной фазе между водой и льдом.

На мой взгляд, для механики капиллярных эффектов характерно несколько разновидностей неустойчивости. Помимо хрупких метастабильных состояний и самопроизвольных «фазовых» переходов при смачивании это связано с чувствительностью к распределению шерховатости. Малейшее изменение топографии поверхности может вызвать значительное изменение формы мениска и капиллярной силы. Вообще, всяческие неустойчивости меня очень интересуют. Помню, курсе на четвертом доц. Смольников, читавший нам теорию устойчивости, бросил пафосную фразу о том, что вот механика ХХI века будет механикой неустойчивости (имелись в виду, видимо, те же пригожинские неравновесные системы). Моя PhD диссертация была о колебаниях и упругих волнах, вызываемых трением, и в частности речь шла о неустойчивости трения в упругих системах. Неустойчивости же, связанные с капиллярными явлениями и иерархией, проявляются в микро- и нано-механике.

Отличие механики на нано-масштабе связано с с так называемым эффектом масштабирования (scale effect) и законами масштабирования. К масштабированию есть разные подходы, основанные на чисто геометрическом подобии и на физических механизмах, имеющих типичные масштабы длины. Есть люди, которые говорят вместо законов масштабирования об отдельных законах нанотрения (по аналогии с кулоновскими тремя законами трения).

Ну и еще две области, с которыми я связан, можно упомянуть. Во-первых, сейчас я занимаюсь ростом зерен в металлах и его Монте-Карло моделированием. К поверхностным наукам это не имеет отношения, но имеет отношение к мультимасштабному моделированию и к материаловедению. Там тоже можно найти о чем подумать, например, о самоорганизации и о scale-dependent пластичности. Во-вторых, поскольку надо непрерывно искать работу, то модная тема сейчас энергия, механизмы преобразования энергии и т.п.
Subscribe

  • (no subject)

    Согласно Карлу Юнгу, есть вертикальные причинные связи между событиями и есть горизонтальные - синхроничность. (Единственное, увлекаться поиском…

  • (no subject)

    Читаю вот этот странный сайт https://kniganews.org нигде не написано, кто автор. Явно человек хорошо понимаюший проблемы современной физики. Кто…

  • (no subject)

    Немного эзотерики в ленту. Если вы интересуетесь юнговской синхронией (это я тут с одной знакомой преподавательницей танцев из Питера обсуждал), то…

  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for friends only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments