Адгезія поверхні та її значення в науці і техніці

Народжена приблизно на початку XVII століття класична наука довго не чинила визначального впливу на техніку. Такий вплив став виразним лише з кінця позаминулого століття. Він ознаменувався появою електротехнічної та інших ультрасучасних галузей промисловості. З іншого боку, прототипи великого числа знарядь і машин, що складають основу сучасної техніки, були винайдені багато століть, а то й тисячоліть тому. Значить, сотні років техніка існувала без науки? Адже прикладні науки, крім хіба початків математики, просто не існували. Балісти і катапульти древніх греків разили персів за два тисячоліття до відкриття Галілеєм – принципу інерції. Будівельники іспанських каравел, що борознили Світовий океан, навряд чи були знайомі з законом Архімеда: адже прочитати про нього в XV столітті можна було головним чином в рідкісних і малодоступних арабських рукописах. Немає сумнівів, що стародавні умільці прийшли до вдалих інженерних знахідок без розуміння фізичної сутності явищ, тобто чисто практично. Їх вели вперед лише досвід і кмітливість.

Питається, які ж реальні можливості такого «практицизму»? Чи були досягнення древніх лише випадковими або вони все ж спиралися на ще не відомі (а може бути, вже забуті в ті часи?) загальні наукові принципи? Законне й інше питання: чому гостра потреба нашої технології в науковому підході виникла так недавно? У чому конкретно виявилися переваги цього підходу? Ми спробуємо дати хоча б приватну відповідь на подібні питання. І будемо виходити лише з досвіду вирішення людиною однієї з найважливіших і найцікавіших проблем техніки — проблеми тертя.

Як полегшити перетягування вантажу по суші? Ця проблема стояла перед людиною ще на самій зорі цивілізації. Вражаюче, однак, що щонайменше п’ять тисячоліть тому, тобто задовго до появи класичної науки, було знайдено навіть не одне, а цілих три рішення цієї проблеми. І всі три рішення по праву вважаються фундаментальними.

Перше і, мабуть, головне рішення – перехід від тертя ковзання (волочіння вантажу) до кочення. Використовували колоди та інші округлі тіла. Ідея привела до винаходу колеса, що склало цілу епоху не тільки в розвитку транспорту, а й техніки взагалі. Обертове на досить тонкій осі (або разом з нею) колесо явило собою геніальне поєднання цілих трьох великих винаходів давнини: важеля, способу кочення і плівкового мастила, про яке мова нижче. В результаті втрати на тертя були досить малі навіть при поганому стані дороги і очевидній «незграбності» самих коліс.

Другий винахід – зменшення тертя в кілька разів за допомогою найтоншої плівки рідини. Спочатку це була, мабуть, звичайна вода (Стародавній Єгипет), значно пізніше — рослинна олія (антична Греція). Такий спосіб практикували для перетягування гігантських статуй задовго до того, як він був реалізований в підшипниках млинів, колодязних воротах та інших старовинних машинах. Цікаво, що аналогічний прийом з успіхом використовували вже в середині XV століття турки при облозі Константинополя. Щоб несподівано для противника перекинути важкі бойові кораблі по суші, завойовники застосували дерев’яні настили, рясно змащені салом.

Нарешті, третє рішення було по суті обхідним. Від сухопутних перевезень переходили до водних, сухе тертя замінювали рідинним, яке, враховуючи повільність пересування, було фантастично малим. Більш того, на відміну від сухого тертя і навіть тертя кочення воно майже не зростало при збільшенні вантажу! Легко уявити, яку гігантську перевагу мали навіть незграбні плоти і утлі човники в епоху великовагових, запряжених волами возів і майже повного бездоріжжя. Не дивно, що річковий, а потім і морський транспорт зіграли знаменну роль в історії цивілізації.

Саме за допомогою зовсім невеликих і таких непоказних на вигляд човнів стародавнього світу і епохи середньовіччя вперше виникли зв’язки між далекими країнами, утвердилася Міжнародна торгівля, були відкриті численні острови і цілі континенти. Річкові шляхи довгий час були майже єдиним способом проникнення в глиб зарослих дрімучими лісами материків, в загадкові лісові масиви Північної та Південної Америки, сибірську тайгу і африканські джунглі. Могутність і процвітання цілих імперій нерідко залежало від доступу до портів і стану морського флоту. І все це, по суті справи, полягало у вирішенні проблем тертя. Перевозячи вантажі і людей водним способом, цю проблему взагалі «знімали з порядку денного»!

Але знайдені колись, і вірні в принципі, рішення прогресували дивно повільно. Це пояснювалося, звичайно, убозтвом доріг, вони не дозволяли рухатися з великою швидкістю. Для всієї стародавньої техніки взагалі типова тихохідність. Саме тому фрикційний нагрів, нагрів при терті, цей бич сучасних машин, довго нікого не турбував. Підшипники кочення, відомі ще в епоху римських цезарів і заново винайдені геніальним Леонардо да Вінчі, не отримували поширення. У них просто не було потреби. Однак головна, на наш погляд, причина технічного застою полягала в тому, що чисто практичний метод древніх, врешті-решт, вичерпав себе і не міг вже дати чогось принципово нового.

Систематичне наукове дослідження сухого тертя почалося в XVIII столітті працями Ейлера і особливо Кулона. Він працював, до речі, все для того ж морського флоту. Важливі закономірності, відкриті великими вченими, епізодично використовували для розрахунків спуску на воду важких морських човнів, пізніше — для оцінки тяги перших поїздів, що рухаються по гладких рейках. Поступово, у міру успіхів науки, ставало ясно, що старовинні способи зниження тертя обрані не випадково — вони базуються на якихось загальних принципах, що випливають з глибинної суті явищ. Але ця суть – фізична природа тертя – залишалася загадковою.

Відкриття та визначення адгезії

Зараз, озираючись назад, можна впевнено виділити дві наукові події, що трапилися на початку і в самому кінці XVIII століття, події, що зробили, правда багато років по тому, вирішальний вплив на формування сучасних уявлень про тертя. Перше з них пов’язано з відкриттям Дезагюлье злипання шматків м’якого металу, притиснутих один до одного. Явище отримало назву «адгезія».

Класичне визначення того, що таке адгезія звучить так: адгезія – це зчеплення поверхонь різнорідних твердих і/або рідких тіл. Явище адгезії обумовлено міжмолекулярними взаємодіями.

Особливо інтенсивна адгезія була помітна при ковзанні найбільш гладких зразків. Це здавалося дивним, що спростовувало природне уявлення про тертя як результат зачеплення нерівностей двох поверхонь. З іншого боку, адгезія спостерігалася далеко не завжди, і вважати її універсальною причиною тертя не було підстав.

Другим відкриттям, або, скоріше, осяянням, було чітке усвідомлення: при терті механічна енергія обов’язково переходить в тепло. Ця, здавалося б, банальна і в ті часи істина (ще кроманьйонці добували вогонь тертям) була далеко не тривіальною в епоху панування теорії теплорода. Справа в тому, що така теорія допускала невеликий нагрів тіл при терті лише за рахунок перерозподілу в них деякої захованої «теплової субстанції». Але граф Румфорд, який терпляче спостерігав у Мюнхенському арсеналі за трудомістким і тривалим свердлінням гарматних стволів, зауважив, що сильне виділення тепла при терті не обмежене в часі. Отже, джерело тепла – не внутрішня потенція тіл, а щось зовнішнє? Бути може, робота тієї сили, яка змушує свердло обертатися?

Значно пізніше, коли був відкритий закон збереження енергії і сформульовані початки термодинаміки, твердо встановили: перехід механічної енергії в тепло зовсім не випадковий. Він обумовлений загальною тенденцією до підвищення ентропії, що прямо випливає з другого початку термодинаміки.

Таким чином, коло пошуків фізичних причин тертя різко звузилося. Проте, вченим залишалося пояснити головне – яким способом механічна енергія при терті переходить в тепло. Знову гонитва за суттю явищ. І знову в полі зору дослідників мікронерівності, існуючі навіть на гладких на вигляд поверхнях. Чи не пов’язані втрати на тертя з незліченними підйомами і спусками тіл по таких горбках? Розрахунки показали, що такий механізм розсіювання енергії цілком реальний при досить крутих горбках. Однак нерівності на поверхнях тертя були нерідко пологими, що начисто відмітало механізм «підйому-спуску».

Більш обгрунтованою і живучою виявилася гіпотеза пластичного деформування нерівностей при терті. Дійсно, при цьому може виділятися багато тепла. Заковика, однак, в тому, що здатність більшості металів до пластичної деформації обмежена певним числом циклів. Пізніше настає так званий наклеп, коли метал твердне. А при цьому в тепло перетворюється зовсім мізерна енергія. Виходило, що в міру приробітку поверхонь втрати на тертя повинні прагнути до нуля, чого, на жаль, ніколи не спостерігалося.

Були й інші, не менш переконливі факти, компрометуючі гіпотезу деформування горбків. Самий разючий тому приклад – ковзання і кочення циліндра по площині. В останньому випадку втрати на тертя, як відомо, зникаюче малі, хоча число, розміри та інші властивості горбків, що мнуться на одиниці шляху при ковзанні і коченні строго однакові. Так, тут було над чим поламати голову!

Тим часом промислова революція XIX століття наполегливо вимагала прискорення технічних операцій. Символ прогресу, парові поїзди повинні були ходити все швидше і швидше. Біда полягала в тому, що при підвищеній швидкості підшипники нагрівалися і плавилися. Позбутися від напасті можна було лише одним способом — зменшити тертя в підшипниках до нечувано низького рівня. Однак стан тодішньої техніки не давав ні найменшого натяку на вирішення проблеми.

Але вихід був знайдений відразу після того, як Рейнольде відкрив дивовижне явище. Тонкий шар рідини створював підйомну силу за рахунок… власного внутрішнього тертя! Цей гідродинамічний ефект міг виникати прямо в підшипнику при досить швидкому обертанні вала і легко створював підйомну силу в десятки кг/см2. Як в’язку рідину можна було використовувати дешеве мінеральне масло, що вважалося тоді нікчемним відходом. Розвиток теорії гідродинамічного мастила Петровим і плеядою інших вчених дозволив успішно застосувати рідинне мастило не тільки на транспорті, але і в багатьох швидкохідних машинах і приладах, починаючи від гігантських гідротурбін і закінчуючи мініатюрними гіроскопами.

І, тим не менш, рідинне тертя не було панацеєю. Суворих умов експлуатації не витримували вже самі мастила. Типове для техніки минулого ХХ століття неухильне зростання температур, навантажень і швидкостей вимагало все більш широкого використання сухого тертя. Однак втрати при сухому терті були в сотні разів більше, ніж при рідинному мастилі і в опорах кочення. А таємниця сухого тертя як і раніше залишалася нерозгаданою. Вчені зайшли в глухий кут.

Адгезійний зв’язок

Тепер саме час повернутися до адгезії. Потрібно уточнити, що таке адгезійний зв’язок. Природна жорсткість твердих тіл обумовлена численними зв’язками, що виникають між сусідніми атомами або молекулами. Народження будь-якого зв’язку супроводжується розсіюванням в тепло деякої надлишкової енергії, порівнянної з енергією самого зв’язку. Проста модель: кульки котяться по горизонтальній поверхні, а на ній невеликі колодязі. При випадковому попаданні в колодязь кулька, врешті-решт, заспокоюється на його дні. При цьому розсіюється частина потенційної енергії кульки.

Зате положення кульки тепер вже строго фіксоване і стійке. А щоб витягти її з колодязя, потрібно затратити енергію — енергію зв’язку. Таємнича здатність атомів і молекул об’єднуватися в тіла пояснюється досить просто: такий колективний стан найбільш стійкий, а отже, і найбільш ймовірний.

Адгезійні зв’язки неминуче з’являються між атомами і молекулами різних тіл в місцях їх контакту. А при ковзанні дотичних тіл усталені було зв’язки тут же рвуться, і замість них негайно утворюються нові. Відбувається, як кажуть, безперервний обмін адгезійних зв’язків, що супроводжується цілком відчутним виділенням тепла. Тертя і є результат інтенсивного обміну адгезійних зв’язків, що виникає в зоні контакту тіл при їх відносному переміщенні.

Питається, що ж потрібно зробити для зниження тертя? Очевидно, перш за все, спробувати зменшити енергію адгезійних зв’язків. Саме так і вчинили стародавні єгиптяни і греки, які придумали граничне мастило. Дійсно, якщо енергія зв’язків між твердими тілами вимірюється зазвичай декількома електрон-вольтами, то плівка рослинного масла, яка «сидить» на поверхні металу, знижує цю енергію до декількох десятих часток електрон-вольта. Треба сказати, що такі плівки знаходяться в особливому, майже твердому стані, тому вони дуже міцні.

У вільній воді, як і в будь-якій рідині, зв’язок між молекулами майже повністю компенсований тепловим рухом. Це означає, що молекули рідини мають велику свободу по відношенню один до одного. Саме тому досить повільне ковзання по водній гладі практично не зустрічає ніякого опору, чим з успіхом і скористалися наші винахідливі предки. Виходить, що адгезійна модель «працює» і в цьому випадку.

Але ми поки ніяк не пояснили переваги кочення! Чим воно краще ковзання? З прикладу з циліндром чітко випливає, що енергія адгезійних зв’язків, та й їх число на площі контакту абсолютно однакове, як при ковзанні, так і при коченні. Тим не менш, тертя при переході від ковзання до кочення падає в десятки тисяч разів! Тертя і адгезійний ефект практично зникають. Куди ж вони діваються?

Ще 100 років тому відповіді на таке питання не існувало взагалі. Зараз можна все це пояснити на простому і наочному прикладі. Уявімо, що до столу приклеєна стрічка. Клей створює в даному випадку підкреслено сильні адгезійні зв’язки. Спробуємо зрушити стрічку, потягнувши її уздовж столу. Нічого не вийде. Ми ризикуємо лише порвати стрічку. Вдамося тепер до загальновідомого способу. Потягнемо край стрічки вгору, і вона легко відстане від столу. Для зручності прикріпимо край стрічки до циліндрика і покотимо його. Поступово звільняючи стрічку, ми не зустрінемо опору. Але ж це повна імітація кочення. Зрозуміло тепер, в чому справа? Ну, звичайно. Ті ж зв’язки, які при ковзанні ми змушені руйнувати одночасно, рвуться при коченні строго послідовно, до того ж мікроскопічними порціями.

Отже, спираючись на простий по суті принцип обміну адгезійних зв’язків, ми більш-менш вдало пояснили всі три основні способи зниження тертя, що прийшли до нас з глибин тисячоліть. Але пояснення цікаве не саме по собі. Важливо інше – що обіцяє теорія. Після багатовікового «практицизму» що дасть наука? Які горизонти вона відкриє?

Як бачите, існують два фундаментальних способи зниження сухого тертя. Перший – максимально послабити інтенсивність обміну адгезійних зв’язків. Другий – спроба зменшити, наскільки можливо, енергію самих зв’язків.

Які ж фізичні межі обох способів? Якою мірою потенційні ресурси, дозволені природою, вже вичерпані?

Розглянемо перший шлях, підказуваний суворою теорією. Чи варто намагатися і далі зводити нанівець обмін адгезійних зв’язків, який і без того майже загасає при коченні? Тут з’ясовується цікава річ. Виявляється, що кочення — далеко не єдиний і навіть не найефективніший шлях усунення адгезійного обміну. Всупереч поширеній думці, аналогічні способи переміщення, хоча зовні і зовсім не схожі на кочення, широко поширені в живій природі. До них відноситься, наприклад, ходіння і повзання. Кінематично вони набагато складніше кочення. Однак дозволяють рухатися практично без тертя по дуже складному рельєфу. Недарма подібні види пересування привернули пильну увагу проектувальників всюдиходів і планетоходів.

Ну, а другий шлях? Фізикам відомі різні види міжатомних зв’язків. Найбільш слабкі з них, так звані зв’язки Ван-дер-Ваальса, характеризуються енергією порядку декількох сотих електрон-вольта. Очевидно, що поверхні, здатні створювати тільки такі зв’язки, повинні володіти найменшим тертям. Але, на жаль, тіла на їх основі розвалилися б вже при кімнатній температурі. Адже енергія зв’язків порівнянна в даному випадку з енергією теплових коливань.

Вихід полягає в тому, що в якості твердих мастил використовуються речовини з анізотропною, різнорідною за напрямками, кристалічною структурою. Деякі такі речовини, наприклад молібденіт і графіт, мають шарувату структуру — міцні самі по собі шари дуже слабо пов’язані один з одним. Такі матеріали мають відмінну міцність на стиск і широко застосовуються у вузлах тертя прямо в чистому вигляді.

Виявляється, однак, що теоретично можливості подібних твердих мастил далеко не вичерпані. Адже окремі блоки, з яких складаються полікристалічні тіла, розташовані один по відношенню до одного хаотично, нагадують купу цегли, звалену недбайливими будівельниками. Але отримати гранично низьке тертя можна, лише орієнтувавши кристали так, щоб їх межі, що складають доріжку на зразок акуратної цегляної кладки, мали б найменшу вільну енергію, а отже, і мінімум адгезії. Більше того, необхідно, щоб така бездоганна доріжка тривало працювала на тертя, тобто витримувала без руйнування гігантські контактні напруги.

Ще зовсім недавно було абсолютно неясно, як це зробити навіть в стерильних лабораторних умовах, не кажучи вже про технічні пристрої. Зараз, однак, вчені знайшли цілком реальні способи отримання і стабілізації таких сильно впорядкованих полікристалічних структур, товщиною всього в кілька десятків атомів.

З’ясувалося, що природним джерелом додаткової енергії, необхідної для формування таких структур, може служити… саме тертя, яке в підсумку пожирає себе подібно міфічному дракону.

Однак для успіху такої зухвалої операції потрібний виключно сильний «струс» поверхневого шару, що звільняє його від численних домішок і дефектів. Такий «струс» можна отримати шляхом бомбардування тіла прискореними частинками — електронами або ж атомами інертного газу. Упорядкований цим способом поверхневий шар володіє аномально низьким тертям і рядом інших незвичайних властивостей. В результаті втрати на сухе тертя в ряді випадків виходять настільки ж низькими, як при рідинному мастилі або в опорах кочення.

А який же висновок? Практика древніх механіків привела в підсумку до фундаментального вирішення найважливішої і далеко не тривіальної інженерної проблеми. Це означає, що фахівці стародавнього світу нехай болісно повільно, але зате наполегливо слідували стовповій дорозі технічного прогресу, раціонально, по-хазяйськи використовуючи буквально все, що могло дати підручну сировину і доступні епосі методи обробки.

Успіху емпіричного підходу сприяв, як видно, сильно уповільнений темп технічного прогресу, характерний не тільки для стародавнього світу, а й епохи Середньовіччя. Замість стрибків, типових для сучасної технології, ми помічаємо тут неспішне, але зате неухильне наближення до ідеального рішення, як це сталося, наприклад, з колесом і підшипником ковзання.

А розуміння внутрішнього сенсу завдання? Воно було при цьому зовсім не обов’язковим. Таке розуміння складалося значно пізніше, вже в епоху становлення класичної науки. Зауважимо, однак, що і в епоху безроздільного панування практицизму підхід, заснований на проникненні в приховану суть пропорцій і явищ, приводив іноді до видатних практичних результатів (машини Архімеда) або надовго залишався видатним пам’ятником феноменального інженерного провидіння (винаходи Леонардо да Вінчі).

І все ж основним шляхом розкриття секретів природи став науковий метод, розроблений Галілеєм і заснований на аналізі фізичних моделей явищ.

І ще що важливо – практичний метод, незважаючи на очевидну ефективність, має все ж якийсь природний поріг, межу. Ця межа досягнень пояснюється недосконалістю творчого пошуку, заснованого лише на незліченних пробах і помилках. В області тертя такий поріг був досягнутий, мабуть, приблизно до початку першої промислової революції. Народжені нею нові завдання, зокрема створення швидкохідних підшипників для поїздів і електромашин, зажадали не тільки оригінального, але і оперативного рішення. В результаті традиційний пошук навмання став все частіше замінюватися цілеспрямованим науковим дослідженням самої суті проблеми. Класичним зразком такого підходу служить гідродинамічна теорія мастила, що склала епоху в боротьбі з тертям.

Ми бачимо, нарешті, що наукове усвідомлення внутрішнього сенсу явищ дозволяє розкрити глибокий і несподіваний зв’язок між, здавалося б, цілком самобутніми винаходами і по-новому оцінити їх потенційні можливості.

Однак специфічна і, можливо, головна роль прикладної науки полягає все ж в тому, що вона здатна дати промисловості і такі рішення, які взагалі не можуть бути знайдені чисто практичним шляхом. І це головне.

Без глибоких теоретичних досліджень неможливо було б дійти до ідеї використовувати, з метою усунення тертя, особливий, такий що не зустрічається в природному вигляді стан твердої речовини, що відрізняється суворою і стабільною впорядкованістю структури на атомно-молекулярному рівні. «Наддосягнення» в техніці неможливі без глибоких, несподіваних і складних наукових теорій. Якщо раніше пояснення явищ не поспішаючи слідувало за практичним його застосуванням, то тепер теорія все частіше передує практиці. Мабуть, в цьому одна з особливостей науково-технічної революції.

Автор: А. Сілін, доктор технічних наук.