Článek
Žijeme v iluzi, že základním fyzikálním jevům z našeho každodenního života už dávno dokonale rozumíme. Zvládneme přesně spočítat trajektorii sondy letící k Jupiteru. Umíme manipulovat s jednotlivými geny v DNA. Ale zkuste se zeptat špičkového fyzika na to, co se přesně děje na atomární úrovni, když posunete hrnek s kávou po stole.
Pravděpodobně se trochu ošije a začne mluvit o tom, že je to „komplikované“.
Problém je v tom, že fenomén tření – věc, se kterou začal experimentovat už Leonardo da Vinci a kterou nás ve škole učí počítat pomocí jednoho prostého vzorečku – je ve skutečnosti nanosekundový chaos. A my mu dodnes plně nerozumíme.
Proč věříme, že tření chápeme
Pokud dáváte v hodinách fyziky pozor, odnesete si v hlavě jednoduchý koncept: tření závisí jen na hrubosti materiálů a na tom, jakou silou na sebe tlačí. Dosadíte koeficient do rovnice (Ft = f x Fn) a máte hotovo.
Tento model vymyslel Guillaume Amontons v roce 1699 a později ho upravil Charles-Augustin de Coulomb. Od té doby máme tendenci brát tření jako vyřešený a trochu nudný inženýrský problém. Stačí povrch namazat olejem a jedeme dál.
Jenže realita je jiná. Školní vzoreček je jen matematická berlička. Popisuje výsledek, ale vůbec nám neříká, jak k němu příroda došla. Jakmile totiž vezmete elektronový mikroskop a podíváte se, jak se dva materiály dotýkají, klasická fyzika začne selhávat.
Váš stůl je ve skutečnosti pohoří
Když přejedete rukou po displeji telefonu nebo po naleštěném stole, váš mozek to vyhodnotí jako dokonale hladkou plochu. Z pohledu atomů to ale vypadá, jako byste vzali Alpy a otočili je vzhůru nohama proti Himálajím.
Každý povrch je plný mikroskopických hor a údolí (odborně se jim říká nerovnosti nebo asperity).
Když na sebe položíte dva předměty, nedotýkají se celou plochou. Dotýkají se jen vrcholky těch nejvyšších hor. Studie z oblasti nanotribologie ukazují, že skutečná plocha dotyku je často až desetitisíckrát menší než to, co vidíte pouhým okem.
A tady to začíná být zajímavé. Protože veškerá váha předmětu leží jen na těchto několika málo vrcholcích, vzniká tam extrémní tlak. Atomy obou materiálů se k sobě dostanou tak blízko, že si začnou myslet, že jsou jeden kus.
Dochází k takzvanému „studenému sváru“. Atomy se do sebe doslova zakousnou a vytvoří chemické vazby. Když pak chcete hrnkem pohnout, musíte tyto mikroskopické sváry fyzicky roztrhnout.
Atomové zemětřesení a ztracená energie
Pojďme ještě o úroveň níž. Co se stane s tou energií, kterou do posunu předmětu vložíte? Zastaví se pohyb jen proto, že se lámou vrcholky oněch mikroskopických hor?
Vědci nedávno ukázali, že velká část tření vůbec nesouvisí s mechanickým rozbíjením povrchu. Způsobují ho takzvané fonony – kvanta zvukových vibrací.
Když atomy jednoho povrchu přejedou přes atomy druhého, „brnknou“ o sebe jako prsty o struny na kytaře - tato mechanická energie se okamžitě přemění na vibrace krystalové mřížky. Tyto vibrace se šíří materiálem a my je nakonec vnímáme jako obyčejné teplo.
Kdykoli si tedy třete ruce o sebe, abyste se zahřáli, ve skutečnosti vyvoláváte miliardy lokálních atomárních zemětřesení.
Proč to prostě nespočítáme na superpočítači? Protože i při pohybu malého zrnka písku po skle se do sebe zaklesnou a rozvibrují triliony atomů v nepředvídatelném rytmu. Matematicky je to tak složité, že i ty nejlepší současné modely dokážou přesně simulovat jen shluky několika tisíc atomů na zlomek sekundy.
Proč má smysl se třením na atomární úrovni zabývat?
Možná si teď říkáte, proč by vás měl zajímat zmatek v chování atomů. Zkuste se na to podívat přes peníze a opotřebení.
Tření je hlavním nepřítelem lidské efektivity. Podle rozsáhlé analýzy publikované v časopise Friction padne přibližně 23 % celosvětové spotřeby energie jen na překonávání tření v motorech, převodovkách, turbínách a průmyslových strojích.
- Každý pátý litr paliva, který natankujete, shoří jen proto, aby dvě kovové součástky klouzaly po sobě.
- Zároveň je tření důvodem, proč musíte měnit pneumatiky, brzdové destičky nebo proč vám po letech odejde ložisko v pračce.
Pokud bychom dokázali na atomární úrovni pochopit, jak přesně fonony brzdí pohyb, mohli bychom vytvořit materiály s takzvanou superlubricitou (téměř nulovým třením). Stroje by vydržely desetiletí bez opotřebení.
Mimochodem, příroda už to do jisté míry umí. Vaše kolenní a kyčelní klouby jsou inženýrský zázrak. Kloubní chrupavka kombinovaná se synoviální tekutinou má tak nízký koeficient tření, že se tomu lidské technologie dodnes nevyrovnají. Biomechanické studie potvrzují, že naše klouby kloužou lépe než led po ledu.
Až vám tedy bude někdo tvrdit, že věda už všechno základní vyřešila a teď už jen ladí detaily, vzpomeňte si na obyčejné šoupnutí židlí.
Někdy ty největší záhady nemusíme hledat v černých dírách na druhém konci galaxie. Bohatě stačí podívat se pod botu, kterou právě teď stojíte na zemi.
P.S.
Díky, že jste dočetli až sem. Možná se teď na obyčejné šoupnutí židlí, vrznutí dveří nebo tření rukou podíváte trochu jinak - ne jako na nudnou fyziku ze školní tabule, ale jako na jeden z největších každodenních triků přírody. To, co na povrchu vypadá hladce a samozřejmě, je ve skutečnosti svět mikroskopických hor, atomových svárů a neviditelných vibrací. Pokud vás baví texty, které nehledají záhady jen v černých dírách a vzdálených galaxiích, ale ukazují je přímo pod vašima rukama, budu moc vděčný za vaši podporu. Pomáhá mi dál psát články, po kterých se i obyčejný stůl, pant nebo podrážka boty promění v malou vědeckou detektivku.
