חיכוך, גיאומטריה והחלקה

מדעני המכון הראו שנוסף על סוג החומרים המתחככים, גם צורת הגופים משפיעה על החיכוך. תיאוריה זו, שהוכחה בניסוי, עשויה לסייע בהבנת תהליכים טקטוניים, וכן לשפר ולייעל את הדרך שבה מהנדסים מתכננים מערכות שונות.

חיכוך הוא תופעה פיסיקלית בעלת השלכות חיובית ושלילית כאחת. מצד אחד, בלי חיכוך לא נצליח ללכת, ומכוניות לא יוכלו לנסוע. מצד שני, הפחתה של חיכוך, למשל במכונות, עשויה להגביר יעילות ולחסוך בדלק, דבר שיפחית את שיעור זיהום האוויר. שיעור החיכוך הוא גורם מפתח גם בפעולת המפרקים בגופנו, וגם בתנועת הלוחות הטקטוניים בקרום של כדור-הארץ, שבמצבים מסוימים מובילה להתחוללות רעידות אדמה. מדובר בתופעה שבמבט ראשון נראית פשוטה, אלא שלמעשה, גם לאחר שנחקרה במשך מאות שנים, עדיין איננו מבינים אותה לעומקה.

"חיכוך", אומר פרופ' ערן בוכבינדר מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, "מתבטא כיחס בין שני סוגים של כוחות – אלה שמצמידים שני גופים זה לזה, למשל, כבידה או לחץ מכני חיצוני; ואלה שדוחפים את הגופים בכיוונים מנוגדים, ומקדמים החלקה, כמו למשל תנועת רגל, דחפים מכניים שפועלים על כל גוף בנפרד, בכיוונים מנוגדים, או זרימת המעטפת מתחת לקרום כדור-הארץ".

חיכוך מתחולל בממשק שבו שני גופים נוגעים זה בזה, אך בפועל הוא תלוי גם במאפיינים הייחודיים של הגופים המתחככים. למשל, באחרונה הודגם שבמקרה שבו הגופים הנעים עשויים מחומרים שונים, ההתנגדות החיכוכית ביניהם פוחתת, והחיכוך נחלש. מדענים רבים סברו שהיחלשות זו פוחתת ונעלמת כאשר הגופים הנעים עשויים מאותו החומר.

כאן נכנסו לתמונה תלמידי המחקר מייקל אלדם וד"ר יוחאי בר-סיני (כיום חוקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת הרווארד), שיחד עם פרופ' בוכבינדר ופרופ' אפים ברנר ממכון המחקר ביוליך בגרמניה, פיתחו תיאוריה חדשה שמראה כי הנחה זו אינה תקפה. התיאוריה החדשה מערערת עוד הנחה מקובלת בחקר החיכוך, שלפיה החיכוך אינו תלוי בגיאומטריה – כלומר, בצורה ובגודל של הגופים המתחככים. המדענים הראו שכאשר הגופים הנעים עשויים מאותו חומר, אבל יש להם גיאומטריה שונה, מתחוללת היחלשות של החיכוך, בדומה לזו שנצפית בחיכוך בין חומרים שונים. זו היתה תוצאה בלתי צפויה, והיא מדגימה שהגודל והצורה של שני הגופים הנעים זה כנגד זה יכולים להשפיע על החיכוך ביניהם. זאת, בניגוד לחשיבה המקובלת שתחילתה עוד בימי לאונרדו דה וינצ'י.

התיאוריה החדשה הועמדה למבחן בניסויים שבוצעו במעבדה של פרופ' ג'יי פיינברג באוניברסיטת העברית בירושלים. פרופ' פיינברג, יחד עם תלמיד המחקר איליה סבטליצקי, ביצעו ניסויי חיכוך מבוקרים שבחנו את הדינמיקה של ממשק התנועה ברזולוציה גבוהה. הם גילו שכאשר גוף דק נע ומתחכך בגוף עבה יותר, החיכוך חלש מהצפוי בתיאוריה המקובלת –ומתאים לתיאוריה החדשה. יתר על כן, ההיחלשות נעלמת לחלוטין כשהניסוי בוצע עם גופים בעלי עובי זהה.

"ממצאים אלה", אומר פרופ' בוכבינדר, "מספקים ראיות נוספות לרעיון שתכונות הגופים במגע, ולא רק הממשק ביניהם, תורם לתגובת החיכוך הכוללת. התיאוריה מוסיפה ממד חדש להבנה הבסיסית של הדרך שבה החיכוך פועל, והיא תחייב חוקרים ומהנדסים העוסקים בחקר החיכוך להביא בחשבון את הגיאומטריה של הגופים הנעים. רעיון חדש זה עשוי להשפיע על עיצוב מערכות הנדסיות ועל ההבנה של מערכות טבעיות".

מייקל אלדם מוסיף: "המחקר שלנו עשוי להיות רלוונטי לחקר רעידות אדמה, למשל לאלו המתרחשות באזורי הפחתה גאולוגית – איזורים של כדור-הארץ שבהם לוח טקטוני אחד נלחץ מתחת לאחר. במערכת כזאת קיימת אסימטריה גיאומטרית ולפיכך עבודתנו עשויה לסייע בהבנתה. הממצאים שלנו עשויים להיות רלוונטיים גם למפולות אדמה, שם שכבה דקה יחסית של אדמה מחליקה על-פני שכבה עמוקה הרבה יותר".