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La Fricción Tiene Memoria, Dicen los Físicos

física de materiales Jun 19, 2018

Artículo por: Resonance Science Foundation

Los experimentos realizados por Sam DillavouShmuel Rubinstein en la Universidad de Harvard han revelado, por primera vez, que la fricción entre dos superficies tiene "memoria". Esto significa que la fuerza puede depender no sólo del estado actual de la interfaz, sino también de cómo ésta ha alcanzado su estado actual.

Esta nueva visión podría influir en el modo en que los físicos caracterizan la fricción en materiales como la roca, los metales y el papel, y aplicarse a una amplia gama de sistemas físicos, desde las micromáquinas hasta los terremotos.

Área de contacto

La cantidad de fricción generada por dos superficies está directamente relacionada con su área de contacto. Las irregularidades microscópicas de las superficies se van aplanando a medida que pasa el tiempo, aumentando el área de contacto y, por tanto, la fricción.

En estas condiciones, el área de contacto, y por tanto la fricción, aumenta logarítmicamente con el tiempo en un proceso conocido como envejecimiento. "El comportamiento observado es siempre logarítmico", explica Dillavou, "con la magnitud del logaritmo proporcional a la fuerza aplicada".

En los nuevos experimentos, Dillavou y Rubinstein utilizaron dos placas acrílicas transparentes, una encima de la otra. Al iluminar la interfaz, pueden medir el área de contacto. En uno de los experimentos aplicaron una fuerza normal constante, que empujó las placas entre sí. Al cabo de cierto tiempo, los investigadores redujeron la fuerza normal a un valor inferior. Sorprendentemente, "bajo la segunda carga constante, el área de contacto se redujo durante algún tiempo, y luego empezó a crecer espontáneamente", dice Dillavou.

Repitiendo los experimentos con diferentes tiempos de espera antes de reducir la carga y diferentes fuerzas, quedó claro que el sistema había "recordado" cómo había llegado a su estado actual y evolucionaba en función de su historia, no sólo de su estado actual.

A continuación, los investigadores realizaron las mismas pruebas, pero aplicando una fuerza de cizallamiento lateral creciente sobre un bloque hasta que la interfaz se deslizaba. Esto les permitió medir el coeficiente de fricción estática, que debería corresponder directamente con el área de contacto.

Una vez más, la fricción disminuyó y volvió a aumentar tras la reducción de la carga, mostrando el mismo efecto de memoria. Sin embargo, sorprendentemente, este cambio no se produjo al mismo tiempo que el área de contacto. De hecho, la fricción aumentó mientras el área de contacto seguía disminuyendo.

"Descubrir que los dos valores podían evolucionar en direcciones opuestas fue un poco sorprendente", dice Dillavou, que atribuye la discrepancia a que ciertas regiones de la interfaz son más importantes que otras en lo que respecta a la fricción.

Sistema de vidrio

Para entender con más detalle estos desconcertantes resultados experimentales, el equipo recurrió a un modelo universal de envejecimiento en sistemas desordenados. Esta teoría, que ya se había utilizado para describir sistemas "vítreos" como el papel arrugado y las espumas elásticas, también podía explicar los resultados de los experimentos de fricción.

"La teoría es fenomenológica, es decir, no se trata de un único proceso físico, sino de una clase de procesos", explica Dillavou. Por lo tanto, la fluencia plástica, la unión adhesiva o cualquier proceso análogo activado térmicamente podría contribuir a los efectos de envejecimiento, des-envejecimiento y memoria observados. "El proceso que genera este comportamiento omnipresente puede ser en realidad varios procesos", reflexiona Dillavou.

Hiroshi Matsukawa, de la Universidad Aoyama Gakuin (Japón), considera que los resultados son "muy interesantes" y que podrían "abrir un nuevo mundo de la tribología en relación con la dinámica vítrea".

La investigación se describe en: Physical Review Letters.

Artículo: PhysicsWorld Report

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