La fricción se crea cuando dos superficies se deslizan una encima de la otra. Dado que esto consume energía adicional, esta llamada fricción por deslizamiento se considera un aspecto molesto pero inevitable de los procesos dinámicos. Sin embargo, para poner un objeto estacionario en movimiento, su fricción estática debe superarse primero. En colaboración con sus colegas italianos, Investigadores de la Universidad de Konstanz han demostrado cómo suprimir por completo la fricción estática entre dos superficies. Esto significa que incluso una fuerza minúscula es suficiente para poner los objetos en movimiento. Especialmente en piezas micromecánicas, donde solo entran en juego pequeñas fuerzas, una fricción estática que desaparece puede conducir a niveles de eficiencia enormemente mejorados. Estos hallazgos se han publicado en la edición actual de la revista en línea. Revisión física X ( PRX ).
Para mover un bloque de madera a través de una mesa, es necesario tirar de él. Cuando Leonardo da Vinci examinó sistemáticamente esta relación engañosamente simple hace más de 500 años, descubrió las leyes básicas de la fricción por deslizamiento. Dado que la fricción por deslizamiento generalmente genera calor, hay que tirar constantemente del trozo de madera para compensar las pérdidas por fricción. Sin embargo, para generar movimiento en primer lugar, no es la fricción por deslizamiento sino la fricción estática lo que debe superarse. La fricción estática es típicamente mayor que la fricción por deslizamiento y es el resultado de la estructura atómica de las superficies de contacto que se bloquean en su lugar. Las superficies solo pueden liberarse y moverse unas contra otras una vez que la fuerza aplicada ha alcanzado los niveles adecuados.
Trabajando con físicos de las universidades de Milán y Trieste, un grupo de trabajo de la Universidad de Konstanz dirigido por el profesor Clemens Bechinger pudo realizar experimentos y simulaciones numéricas que confirmaron una predicción hecha por el físico Serge Aubry en la década de 1980:Postuló que, si el espaciado de la red entre las partículas en una superficie fuera ligeramente diferente del espaciado de la red en la otra, la fricción entre las dos superficies debería desaparecer por completo. Incluso se espera que esto se aplique si las dos superficies se presionan juntas. En terminos practicos, esto significaría que una fuerza aleatoriamente pequeña sería suficiente para mover un trozo de madera que pesa toneladas a través de una superficie.
Este efecto se puede observar particularmente bien en contactos ideales, donde ambas superficies están perfectamente planas entre sí. Son este tipo de superficies las que Clemens Bechinger y su equipo pudieron crear en un sistema modelo:utilizando rayos láser y esferas de vidrio en el rango de los mirómetros, los llamados coloides, pudieron crear un modelo bidimensional de dos superficies que se frotaban entre sí. Dado que las esferas cargadas eléctricamente se repelen entre sí, se colocan en una capa plana periódicamente ordenada. Esta monocapa coloidal forma una de las dos superficies. Los investigadores crearon la segunda superficie debajo de la capa de coloides utilizando tres rayos láser. Como resultado de su superposición se forma un cristal de luz, que es una especie de caja de huevos óptica con huecos y crestas. "En comparación con las superficies reales, estas superficies ópticas tienen la ventaja añadida de ser totalmente transparentes, lo que significa que podemos observar directamente los procesos que operan entre ellos usando un microscopio, "dice Thorsten Brazda, el investigador doctoral que realizó los experimentos en el grupo de Bechinger para su tesis doctoral.
Mientras Aubry restringió su predicción a contactos unidimensionales a temperaturas de punto cero, la colaboración de investigación pudo demostrar que extendido, Los contactos bidimensionales a temperatura ambiente también se pueden poner en movimiento sin fricción estática. “Pudimos convertir la configuración unidimensional artificial de Aubry en una situación realista y demostrar que su idea sigue siendo válida en sistemas bidimensionales y a temperaturas finitas, "Dice Clemens Bechinger.
La observación directa de los movimientos de las partículas también permitió a los investigadores comprender la desaparición de la fricción estática entre la monocapa coloidal y el cristal de luz:resulta que la monocapa coloidal se tuerce ligeramente en relación con la rejilla óptica. De esa manera, las partículas no se adhieren a los huecos del sustrato, de la que no les resultaría fácil escapar. En lugar de, algunos de ellos se colocan alrededor de las crestas. Si se aplica fuerza externa, estas partículas no tienen que escapar de los huecos, pero pueden moverse libremente tan pronto como se ejerza una cantidad mínima de fuerza. La fricción estática desaparece.
Estos resultados, que están en excelente acuerdo con las simulaciones numéricas realizadas por el equipo italiano, mostrar que la fricción estática no solo se puede suprimir, pero también se genera según se desee si se aumenta la presión de contacto entre las dos superficies. Esto es importante en la medida en que la fricción estática, en contraste con la fricción por deslizamiento, es a menudo un fenómeno deseado. Nos permite agarrar objetos de forma segura y asegura que las ruedas tengan suficiente agarre. Esta forma de variar la fricción estática crea nuevas oportunidades para mover objetos fácilmente a través de superficies y bloquearlos en su lugar de manera segura. Esto sería de inmensa ventaja en reductores o acoplamientos micro y nanomecánicos, ya que, aquí, normalmente, sólo entran en juego fuerzas muy pequeñas.
