Атомы скользят друг относительно друга, а затем сцепляются в разных комбинациях. То же самое происходит с тектоническими плитами — они движутся, пока не застревают в неподвижном состоянии.

От мельчайших частиц до гигантских пластов земли — все подчиняется этому фундаментальному принципу «прилип-отлип».

Но только сейчас ученые начинают понимать, как работает трение, лежащее в основе этого явления.

Прерывистое движение в скользящих системах называют stick-slip, потому что поверхности попеременно сцепляются и проскальзывают. Однако точные измерения показали, что даже в моменты кажущейся неподвижности происходит крайне медленное скольжение перед каждым переходом от сцепления к проскальзыванию, — объясняет Тосики Ватанабэ, аспирант Йокогамского национального университета, соавтор исследования, предложившего новую модель этого загадочного перехода. — Этот феномен, известный как парадокс статического трения, десятилетиями оставался нерешенной проблемой.

Предыдущие попытки объяснить медленное скольжение опирались на искусственные законы трения или вводили фиктивные параметры.

Новая модель, разработанная Ватанабэ и профессором Кеном Накано, предлагает более простое решение без надуманных допущений.

Результаты опубликованы в издании Physical Review E.

Наша модель — это вязкоупругий «игрушечный» механизм, который объясняет парадокс статического трения без лишних сложностей, — говорит Накано.

Ученые подтвердили ее теоретически.

Кажется, что трение — это невероятно сложный процесс, но на самом деле его суть может быть гораздо проще.

Вязкоупругость — это свойство материала вести себя как жидкость или твердое тело в зависимости от нагрузки. Классический пример — «умный пластилин»: если оставить его на столе, он растечется, как медленно текущая жидкость, но если резко потянуть — порвется, как упругое твердое тело.

Ученые использовали простейшую модель вязкоупругого основания Кельвина-Фойгта, добавив к ней жесткий зонд, который движется вертикально и колеблется горизонтально.

В этой системе нет статического трения — вместо этого есть два состояния скольжения: медленное и быстрое.

Наша модель дает чисто механическое объяснение парадоксу, — говорит Ватанабэ. Жесткий зонд поднимается, вызывая медленное скольжение, которое постепенно ускоряется, накапливая напряжение. — Чем резче меняется временной масштаб, тем интенсивнее переход от медленного к быстрому скольжению.

Теперь ученые хотят изучить, как этот механизм может помочь в прогнозировании землетрясений.

Наша цель — максимально просто объяснить сложные процессы трения и научиться предсказывать их на всех масштабах — от атомного до геологического, — заключает Накано.

Это исследование может перевернуть наше понимание трибологии — науки о трении. Если модель подтвердится экспериментально, ее можно будет применить:

• В сейсмологии — для прогнозирования землетрясений, ведь тектонические плиты подчиняются тем же законам stick-slip.
• В машиностроении — чтобы снизить износ деталей, улучшив расчеты трения в узлах механизмов.
• В робототехнике — для создания более плавных и точных движений манипуляторов.

Но главное — это шаг к универсальной теории трения, которая объединит процессы от нано- до мегамасштабов.

Все же отметим, что модель упрощает реальность: в природе трение зависит от температуры, влажности, шероховатости поверхностей, а в статье эти факторы не учтены. Кроме того, теория пока не проверена экспериментально — без практических испытаний она остается гипотезой, пусть и элегантной.

Ранее ученые разработали новый метод шлифовки для авиадвигателей.