スニーカーのきしむ音に隠された秘密

摩擦を支配するプロセスを理解することは、物理学において最も古く、最も複雑な問題の 1 つです。なぜなら、2 つの表面が接触するとき、それらは単に互いにこすれるのではなく、私たちの目から隠された本物の微視的な「振付」を行うからです。

そこでは、目に見えない境界上で、小さな接触点に力が集中し、ナノスケールの残留物が生成され、化学結合が絶えず形成されたり切断されたりします。これらのプロセスは、何かがスムーズに滑るか、あるいは逆に摩耗して抵抗するかを決定します。世界のエネルギー消費の膨大な部分が材料の摩擦や磨耗により回復不能に失われるため、これを理解することの重要性は資本です。

複雑な問題

これまで科学は、硬い表面上で柔らかい材料が軋むのはスティックスリップとして知られる現象によるものだと考えていた。これは、黒板の上にチョークを通すときに起こる、表面がくっついてから突然飛び上がるという急速な変化である。さらに、50 年以上前、科学者のアドルフ シャラマッハは、ゴムが滑るときに剥離波を発生できることをすでに観察していました。しかし、問題がありました。それらの「シャラマッハ波」は音を出すには遅すぎるのです。従来の理論では、なぜシューズが高速でのみきしむのか、なぜソールのパターンによって効果がこれほど大きく変わるのか、そして何よりも、その明確な音楽の音色が正確にどこから来るのかは説明されていませんでした。

一見単純だが極悪非道に複雑なこの疑問を解決するために、ハーバード大学のカティア・ベルトルディ率いる研究チームが研究結果を発表した。自然‘。

研究者らは従来のバスケットボール シューズ (具体的には Nike CU3503-100) を使用し、音が発生し始める臨界速度である秒速 1 メートルでガラス板上を滑らせました。しかし、不透明なソールの下で何が起こっているのかをどうやって見るのでしょうか?これを行うために、彼らは「全内部反射」と呼ばれる独創的な光学トリックに頼りました。

研究者らは、慎重に計算された角度で（靴が置かれていた）ガラスパネルに光子を注入した。これにより、光は内部に閉じ込められ、ガラスの面の間で反射し、外部に逃げることができなくなった（インターネットを家庭にもたらす光ファイバーが機能するのと同じ原理）。しかし、靴のゴムがガラスに触れるほんのわずかなところで「魔法」が解け、光はなんとか逃げ出した。したがって、非常に高速度のカメラを使用することで、チームはソールのどの部分が実際に地面と接触しているかをミリ秒単位で正確に記録することができました。

驚くべき結果

画像から明らかになったのは驚くべきことで、靴がスムーズに滑っていないことが判明したのです。代わりに、この動きは、時速約 300 キロメートルという驚くべき速度で伝わる、空間的に局在化した小さなワープ波である「アパーチャー パルス」によって生成されました。それらの波は靴とガラスの間の界面を横切り、瞬間的にゴムを持ち上げ、微細な点で接触から切り離しました。これらの各パルスはシューズを 1 ミリメートル未満しか前進させなかったので、持続的な滑りを実現するには、シューズは 1 秒間にこれらのイベントを何千回も生成する必要があります。

そしてここでデザインが登場します。研究者らは滑らかなゴムブロックを使って同じ実験を試みたところ、パルスは無秩序で不規則で、明瞭な音はまったく発生しないことが判明した。しかし、グリップパターン（スポーツシューズの靴底にある「描画」）と同じ、平行な隆起と溝を導入することにより、動作は完全に変わりました。縞模様によりパルスは強制的に配置され、後端から前端まで一貫して移動します。

これらの微小な波が繰り返される周波数は、ゴム自体の固有振動 (最低の切断モード) と結びついて、まさに音楽の音叉のように作用しました。音響放射を測定することにより、科学者らは、結果として生じる音の周波数が約 4,800 ヘルツであることを発見しました。これは、これらの変形バーストの発生率と数学的精度で一致しています。

また、スライド速度が速くなると鳴き声が大きくなるわけではなく、鳴るかどうかを判断するだけです。低速では、パルスは散発的で静かです。しかし、臨界速度を超えると、パルスは一定になり、ゴムの周波数にロックされ、スニーカーが瞬間的にナノメートルスケールで真のパーカッションおよび管楽器に変わります。

スポーツを超えて

この発見はスポーツの分野をはるかに超えています。実際、科学者たちは、他のゴム状の材料や、ガラスの上を滑る人間の指でも同様のダイナミクスを観察しました。 「この研究は、元の研究に付随する論文で研究者のバート・ウェーバー氏を強調しており、強く接着した界面における滑りの性質について、より深い疑問を提起しています。」実際、高速摩擦は単純な摩擦ではなく弾性波力学によって支配されることを理解すると、予期せぬ扉が開きます。ウェーバー自身も次のように結論付けています。「これらのプロセスが最終的に理解され、制御できるようになれば、摩擦の挙動を意図的に調整する新しい方法が提供される可能性があります。」

考えられる応用例は無数にあります。そして、その範囲は、緊急ブレーキ時に（不必要な騒音を発生させずに）道路にしっかりと密着するタイヤの設計から、磨耗や不快な鳴き声を発しない機械システムや人工器官（人工股関節置換術など）の作成まで多岐にわたります。

これに加えて、この研究は地球規模で、さらに破壊的な出来事を理解するための完璧なモデルを提供します。たとえば、巨大なプレートが互いにこすれる地質断層は、驚くほど似た原理で機能します。したがって、「開口パルス」が岩石の端でどのように伝播するかを理解することは、地震の力学に関する重要な手がかりを与える可能性があります。

それだけでは十分ではなかったとしても、スタジオにはまだ最後のサプライズがあります。そして、摩擦中に、超高速カメラは接触領域の短い放電、小さな光のフラッシュを捉えました。 「摩擦帯電」と呼ばれるこの現象は、スケートという単純な行為によって電荷の分離により強い電場が発生することを明らかにしています。この静電気が機械的滑りとどのように相互作用するのかは依然として謎のままであり、間違いなく将来の研究の動機となるでしょう。明らかなことは、次にコートで耳をつんざくような金切り声を聞くとき、私たちは目に見えない波の嵐と選手たちの足元で解き放たれる微細な稲妻を目撃していることを知るだろうということだ。