Mikanın 200°C’ye ısıtılması, kayma hızından bağımsız sürtünmeyi ortaya çıkarır

ABD Jeoloji Araştırmaları ve Tokyo Üniversitesi ile ortak araştırma yoluyla NIMS, kayganlaştırıcı malzeme olarak da kullanılan katmanlı bir oksit olan mikayı 200°C’ye (392°F) ısıtarak sürtünmeyi ilk kez deneysel olarak kayma hızından tamamen bağımsız olarak gösterdi; bu şimdiye kadar gerçekleştirilmemiş bir idealdi. NIMS ayrıca bunun, yüksek sıcaklıklarda kristallerdeki kusurların ortadan kaybolmasından kaynaklandığını da açıkladı.

Bu keşfin, açıklanamayan sürtünmenin temel prensiplerini açıklığa kavuşturması ve enerji tasarruflu yağlayıcıların tasarımına ve geliştirilmesine yol açması bekleniyor. Bu sonuç şurada yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektupları.

Kuru maddeler arasındaki kinetik sürtünme kuvvetinin (maddeler hareket ederken etki eden sürtünme kuvvetinin) kayma hızından (hareket hızından) bağımsız olarak sabit kaldığını belirten yasa olan Amontons-Coulomb sürtünme yasası, lise fizik ders kitaplarında sürtünmenin temel yasalarından biri olarak anlatılmaktadır.

Coulomb yasasının sınırları

Ancak gerçekte sürtünme kuvveti, birçok malzeme türü için kayma hızıyla birlikte hafifçe değişir (hız ve duruma bağlı sürtünme yasası) ve Coulomb yasasında açıklandığı gibi hızdan tamamen bağımsız bir durum doğrulanmamıştır.

Kinetik sürtünme kuvvetindeki küçük değişiklikler, güç dalgalanmaları sırasında salınımlara ve aşınmaya neden olduğu gibi dengesiz güç aktarımına da neden olur ve bu nedenle makinelerin kararlı çalışmasını önemli ölçüde etkiler.

Buna göre, sürtünme ile kayma hızı arasındaki ilişkinin anlaşılması ve tahmin edilmesi, makinelerin tasarlanmasında ve yağlayıcı malzemelerin geliştirilmesinde önemli bir zorluk olmuştur ve bu fiziksel olgunun açıklığa kavuşturulması gerekli olmuştur.

Mikanın ideal sürtünmeye ısıtılması

NIMS, ABD Jeoloji Araştırmaları ve Tokyo Üniversitesi’nden ortak araştırma ekibi, tek mika kristalleri (KAl) arasındaki kinetik sürtünme kuvvetindeki değişiklikleri ölçtü.₂(Si₃AlO₁₀)(AH)₂), oda sıcaklığından 200°C’ye (392°F) kadar katmanlı bir oksit.

Ekip, sıcaklık arttıkça kayma hızındaki değişikliklere verilen sürtünme tepkilerinin azaldığını ve kinetik sürtünme kuvvetinin 200°C’deki (392°F) kayma hızından bağımsız hale geldiğini buldu.

Bu olgu geleneksel sürtünme teorileriyle açıklanamaz ve ekip ideal Coulomb sürtünmesine ulaştı. Test örneklerinin bir elektron mikroskobu ile gözlemlenmesi, mika kristalleri içinde dalgalanma adı verilen dalga benzeri kusurların varlığı veya yokluğu ile kayma hızına bağımlılık arasındaki ilişkiyi açıklığa kavuşturdu. Araştırma, ilk kez kristallerdeki kusurların karmaşık sürtünme olaylarında rol oynadığını ortaya çıkardı.

Katmanlı malzemelerdeki kusurları test etme

Ekip, kristallerdeki kusurların varlığı veya yokluğu ile kinetik sürtünme kuvvetinin kayma hızına bağımlılığı arasındaki ilişkiyi açıklığa kavuşturmak için elektron mikroskopları içerisinde sürtünme deneyleri yapacak.

Ekip, araştırma hedeflerini diğer çeşitli katmanlı malzemeleri de kapsayacak şekilde genişleterek kayma hızıyla ilgili yeni bir sürtünme yasası geliştirmeyi amaçlıyor.

Gelecekte, bu araştırmanın katı yağlayıcı olarak kullanılacak katmanlı malzemelerin tasarımına ve çeşitli kayma hızlarında özellikleri değişmeyen, kullanımı kolay, enerji tasarrufu sağlayan yağlayıcıların tasarımına ve geliştirilmesine yol açması bekleniyor.