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スニーカーがきしむ理由を物理学の発見で説明
コート内でスニーカーがきしむ音なしでバスケットボールの試合を観戦することを想像するのは困難です。摩擦の物理学により、高音のノイズは即座に認識でき、また避けられません。しかし、似たような音はNBAの試合以外にも、あるいはタイヤのきしむ音、古い自転車の摩耗、フロントガラスのワイパーからも聞こえますが、きしむ表面の詳細なダイナミクスに関する研究は驚くほど少ないです。
研究者は、この音がスティックスリップ摩擦、つまり 2 つの物体がくっついて回転する規則的なサイクルによって発生することを知っています。ただし、その説明はすべての影響を完全に網羅しているわけではありません。力学についてさらに詳しく知るために、国際研究チームは最近、これらの物理的関係を詳細に調査しました。彼らの研究結果は本日ジャーナルに掲載されました 自然ハウリングの根底にある力学を説明するこれまでに見たことのない力学を明らかにするとともに、より高度な材料の作成や地震学においても新たな可能性を開きます。
「このプロジェクトは、なぜバスケットシューズがきしむの?という素朴な疑問から始まりました。」この研究の共著者でハーバード大学工学応用科学大学院（SEAS）の材料科学者であるアデル・ジェローリ氏は声明で述べた。
研究者らはチクチクとした摩擦を利用して「スター・ウォーズ」の歌を再現
その答えを見つけるために、ジェローリのチームは高度なテクノロジーと他ならぬレオナルド・ダ・ヴィンチからのインスピレーションに頼らなければなりませんでした。著名な博学者の多く（多くの) 功績、摩擦物理学を探求する実験に役立つ角度測定器を考案したことで有名な 15 世紀の思想家。
500年以上にわたる摩擦研究を経て、チームは内部反射イメージングと毎秒100万フレームで記録できるカメラを使用して、ゴム製スニーカーのソールとガラス表面の間の接触点の変化を記録しました。一方、繊細な機器は、短いきしみ音のそれぞれで発生する音声を測定しました。
驚くべきことに、この結果はスティックスリップ現象に関する長年の理論と矛盾しています。きしむ音の周波数はランダムに発生するのではなく、伝播するパルスの繰り返し率によって決まります。この反動速度は、ゴムスニーカーの硬さと厚さによって決まります。ガラス上で平らな側面のゴムブロックを使用した追加の実験でも、スイープノイズやシュッシュノイズに似た、より複雑で不規則なノイズパルスが発生しました。これにより、ジオメトリが摩擦鳴きの発生に大きな影響を与えることが分かりました。
研究の共著者でノッティンガム大学の材料科学者ガブリエレ・アルベルティーニ氏は、「小さな表面の特徴が摩擦運動をこれほど強力に再現できることに驚いた」と述べた。 「これらの結果は、単純化された一次元モデルによって摩擦を完全に捉えることができるという概念に疑問を投げかけます。」
ジェラウイ、アルベルティーニ、そして彼らの同僚は最終的にこれらの関係を非常によく理解し、ゴムブロックをさまざまな高さに配置してダース・ベイダーのテーマソングを演奏させることに成功しました。 スターウォーズ 手で。
偶然にも、研究チームは、はるか彼方の銀河での出来事を彷彿とさせる別の摩擦結果を発見しました。場合によっては、スリップ パルスによって摩擦電気放電が発生することがありました。これは基本的に、力の稲妻の小さな例です。
クールなスニーカーのエンジニアリングに加えて、新しい発見は、世界で最も先進的なエンジニアリング材料のいくつかを改善するのに役立ちます。
「摩擦挙動をその場で調整することは、長年にわたる工学の夢でした」と、SEAS 材料科学者であり、この研究の共著者であるカティア・ベルトルディ氏は述べています。 「表面形状がスリップパルスをどのように制御するかについてのこの新しい洞察は、オンデマンドで低摩擦状態から高グリップ状態に移行できる調整可能な摩擦メタマテリアルへの道を切り開きます。」
それはさらに大きなトピックにも影響を与えます。滑りパルスで見られるのと同じ物理現象が地震の際にも見られ、そのとき地殻断層が高速の破壊を引き起こし、その破壊は時には音速よりも速く移動します。
物理学者のサミュエル・ルービンシュタイン氏は、「今回の結果は、軟質材料のトライボロジーと地震力学という、これまで切り離されてきた2つの分野を結びつけている」と述べた。 「柔らかい摩擦は通常、遅いと考えられていますが、スニーカーのきしむ音が地質断層の破壊と同じかそれ以上に伝播する可能性があり、その物理的性質が驚くほど似ていることを私たちは示しました。」
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