Объяснена бесконтактная сила трения

Игорь Иванов

Электромагнитное взаимодействие между непроводящими телами приводит к бесконтактному трению (изображение с сайта aip.org)

Опыты американских физиков доказали, что загадочная сила бесконтактного трения возникает из-за шумов электрического поля, которые присутствуют даже внутри незаряженных тел.

Многие силы в природе — сила тяжести, электрические и магнитные силы — действуют не при непосредственном контакте тел, а на расстоянии. В отличие от них, сила трения работает иным образом: повседневный опыт показывает, что она возникает только между соприкасающимися телами.

Несколько лет назад было, впрочем, обнаружено, что существует новая разновидность силы трения, которая действует, даже если тела не касаются друг друга, а разделены небольшим зазором. При этом в самом зазоре нет ни воздуха, ни каких-либо иных молекул, которые могли бы мешать движению двух тел. Сила эта оказалась слабой, работе крупных механизмов она не мешает, но на результаты высокочувствительных экспериментов в микромире (например, на работу атомного силового микроскопа) она влияет существенно.

Понимание, откуда берется эта бесконтактная сила трения и от чего она зависит, нужно не только ради самой науки, но и для ряда технических приложений. Ситуация становится особенно беспокоящей в свете недавнего открытия, что еще одна сила, действующая в атомном масштабе, — сила Казимира — гарантированно принесет немало проблем будущим конструкторам наноустройств. Как описано в заметке Микромеханика перед лицом серьезных трудностей, эта сила будет неизбежно «склеивать» все движущиеся металлические детали механизма, мешая его работе.

Силу Казимира можно уменьшить, убрав металлические части, но даже в этом случае останется бесконтактная сила трения, мешающая работе наноустройства. Ответ на вопрос «Как подавить и эту силу?» может быть получен только после того, как станет понятно ее происхождение.

За прошедшие несколько лет предпринимались неоднократные попытки теоретически описать это явление (в России этим эффектом занимается А. И. Волокитин; см. краткое сообщение о его работах), но теории, дающей ответы на все вопросы, так и не появилось. Стало ясно, что для дальнейшего прогресса надо четко выяснить, чем именно цепляются тела, если они не касаются друг друга механически.

Ответ на этот вопрос и дала недавняя статья американских физиков S. Kuehn, R. Loring, J. Marohn, Physics Review Letters, 96, 156103 (20 April 2006). Их эксперименты показали, что ключевую роль играют диэлектрические флуктуации: беспорядочные колебания, «шумы» электрического поля, которые есть даже в незаряженном теле. Эти шумы порождают колебания электрического поля не только в самом теле, но и на некотором удалении от него, и именно за них может «уцепиться» второе тело.

Для доказательства этого американцы выточили сверхтонкую микроскопическую иглу, которую они в вакуумной камере закрепили с одного конца, оставив острие свободным. Если теперь по игле слегка «стукнуть», то она задрожит с определенной частотой, но из-за внутренних механических деформаций эта дрожь постепенно затухает с течением времени.

После этого к острию иглы подносилась атомарно гладкая полимерная пленка так, что между ними оставался зазор от нескольких до нескольких сотен нанометров. Опыты показали, что дрожание иглы при этом затухало быстрее — это и есть результат действия бесконтактной силы трения между иглой и пленкой, наблюдавшийся и ранее.

Новшество данного эксперимента состояло в том, что на кончике иглы наводился определенный электрический заряд. Оказалось, что сила бесконтактного трения усиливается при увеличении этого заряда — так, словно из всей иглы именно этот заряд «трется обо что-то». Авторы предположили, что это «что-то» и есть флуктуации электрического поля внутри полимерной пленки, которые ощущаются острием даже на некотором удалении от поверхности. Они провели серию опытов с неизменным зарядом, но разной мощностью электрических флуктуаций и обнаружили, что сила трения послушно изменялась в соответствии с этой мощностью.

Наконец, в качестве последнего аргумента, авторы вывели связь между силой трения и диэлектрической проницаемостью среды. Поскольку диэлектрическая проницаемость для использованных полимеров известна, они вычислили силу трения по этой формуле, сравнили ее с результатами эксперимента и обнаружили впечатляющее согласие.

По мнению авторов, их работа не только ставит точку в давней проблеме, но и открывает простор для дальнейших исследований. На основании результатов работы уже сейчас примерно понятно, что надо сделать, чтоб подавить или усилить эту силу трения. Наконец, бесконтактную силу трения можно использовать как новый способ измерения диэлектрических флуктуаций, которые, как известно из других исследований, имеют важное значения для целого ряда явлений — от резонансной теплопередачи в ближней зоне до структурной перестройки белковых молекул.

Оригинал статьи находится на сайте Элементы.ru