Al mover muebles, los objetos pesados ​​son más fáciles de mover si los gira mientras los empuja. Mucha gente intuitivamente hace esto. Un equipo de investigación internacional de Constanza (Alemania), Trieste y Milán (Italia) ha investigado a escala microscópica la reducción de la fricción estática provocada por la rotación simultánea.

En su estudio reciente, que se publicará en Physical Review X el 15 de junio, los investigadores descubrieron que la reducción de la fricción estática de un objeto microscópico sobre una superficie cristalina puede describirse mediante patrones muaré, que se producen cuando se superponen patrones periódicos. Basándose en este concepto, los investigadores predicen un estado inusual, en el que los objetos microscópicos se pueden poner en rotación aplicando una cantidad mínima de torsión. En el futuro, esto podría permitir la construcción de micromáquinas con una fricción estática ultra baja contra la rotación.

Poner objetos en movimiento

Para poner un objeto en movimiento, es necesario empujarlo para que supere su fricción estática con la superficie subyacente. Esto es cierto incluso si las superficies en contacto son muy suaves. La experiencia diaria nos enseña que la fricción estática es mucho menor cuando el objeto no solo es empujado, sino que simultáneamente gira. Aunque eruditos de renombre, como Leonardo da Vinci, ya estudiaron los fenómenos de fricción hace más de 500 años, la relación entre las fuerzas de fricción estáticas y los pares aún no se comprende por completo. Esto es bastante notable, dado que la fricción de rotación se origina en la misma interacción entre un objeto y la superficie subyacente que la fricción de traslación bien explorada.

La compleja relación entre la fricción estática de traslación y rotación se vuelve aún más intrigante en la escala microscópica, donde los contactos planos involucran solo unos pocos cientos a unos pocos miles de átomos. "Por ejemplo, tales microcontactos ocurren en pequeños dispositivos mecánicos, conocidos como sistemas microelectromecánicos (MEMS), cuyo comportamiento está dominado por efectos de fricción", dice el profesor Clemens Bechinger, jefe del equipo de investigación y profesor de física experimental en el Universidad de Konstanz, proporcionando un ejemplo de dónde los efectos de fricción juegan un papel importante en la escala microscópica. La fricción rotacional y su interacción con la fricción traslacional para contactos tan pequeños ha permanecido bastante inexplorada, porque es técnicamente muy desafiante aplicar torques bien controlados a objetos giratorios a microescala.

Los patrones muaré son la clave

En su estudio reciente, que combina enfoques experimentales y teóricos, los investigadores de Konstanz, Trieste y Milán superaron este desafío e investigaron la fricción rotacional y su interacción con la fricción traslacional para contactos microscópicos. "Para nuestros experimentos, creamos grupos cristalinos hechos de esferas magnéticas de tamaño micrométrico y los pusimos en contacto con una superficie estructurada con pozos que se repiten regularmente", dijo el Dr. Xin Cao, uno de los autores principales del estudio y miembro de Humboldt en el trabajo. grupo de Clemens Bechinger, describe el punto de partida de los experimentos. Continúa:"Esta configuración imita el área de contacto entre dos superficies atómicamente planas".

Los cúmulos bidimensionales, con contactos en la superficie que constan de 10 a 1000 partículas esféricas, se pusieron en movimiento de rotación utilizando un campo magnético giratorio altamente controlable. El par mínimo requerido para hacer girar el grupo respectivo corresponde a la fricción de rotación estática, similar a la fricción de traslación estática, que caracteriza la fuerza mínima requerida para lograr un movimiento de traslación del grupo.

En su estudio, los investigadores encontraron que la interacción de la fricción de rotación y traslación se puede entender a través de las propiedades de lo que se conoce como patrones de muaré. Estos patrones surgen cuando se superponen dos o más estructuras periódicas. "Los patrones de muaré óptico se pueden observar, por ejemplo, cuando una cortina de malla fina se arruga y las capas individuales de la cortina se superponen", explica la Dra. Andrea Silva, segunda autora principal del estudio y física de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA). ) en Trieste. "Los patrones resultantes son extremadamente sensibles a los movimientos relativos diminutos y exhiben estructuras geométricas de alto nivel que no están presentes en las propias estructuras superpuestas".

La ventaja de la rotación simultánea

Volviendo a los experimentos, Andrea Silva describe:"El contacto entre el cúmulo de partículas y la superficie subyacente en áreas donde las periodicidades en la estructura de ambos objetos coinciden se puede comparar con huevos en un cartón de huevos". Sin aplicar fuerzas o pares externos, esta área de superposición estructural está al máximo, lo que significa que una gran cantidad de partículas del grupo están cerca del fondo de los pozos de la superficie estampada, lo que resulta en una alta fricción estática.

Cuando se aplica una fuerza al grupo para empujarlo en una dirección particular, el área de superposición estructural se desplaza hacia el borde del área de contacto. Como resultado, se vuelve más pequeño. Sin embargo, una gran cantidad de partículas permanecen "pegadas" en los pozos del sustrato, por lo que se requiere una fuerza comparativamente grande para vencer la resistencia del cúmulo contra el movimiento y separarlo del sustrato. Si, por el contrario, el grupo se tuerce con un par, el área de superposición se contrae simétricamente. "Esto hace que sea mucho más fácil empujar el grupo y ponerlo en movimiento, ya que el área de superposición estructural ya se ha reducido significativamente por el par aplicado", dice Xin Cao, explicando cómo empujar y rotar simultáneamente reduce la fricción estática.

Con base en las propiedades de los patrones de muaré observados, los físicos no solo pudieron explicar por qué la rotación adicional facilita la traslación de objetos microscópicos, sino también hacer predicciones sobre la dependencia de la fricción estática contra las rotaciones en el tamaño del grupo:cuando este último excede un cierto umbral, la fricción estática contra las rotaciones disminuye fuertemente, dando como resultado un estado de fricción estática ultra baja para grupos muy grandes. "Este estado de baja fricción puede ser muy relevante para la fabricación y el funcionamiento de pequeños dispositivos mecánicos, desde la escala atómica hasta la microescala, acercándonos a la realización de máquinas más pequeñas y eficientes", concluye Clemens Bechinger. + Explora más

Los límites de fricción