Адгезия поверхности и ее значение в науке и технике

Родившаяся примерно в начале XVII века классическая наука долго не оказывала определяющего влияния на технику. Такое воздействие стало отчетливым лишь с конца позапрошлого столетия. Оно ознаменовалось появлением электротехнической и других ультрасовременных отраслей промышленности. С другой стороны, прототипы большого числа орудий и машин, составляющих основу современной техники, были изобретены много столетий, а то и тысячелетий назад. Значит, сотни лет техника существовала без науки? Ведь прикладные науки, кроме разве начал математики, просто не существовали. Баллисты и катапульты древних греков разили персов за два тысячелетия до открытия Галилеем – принципа инерции. Строители испанских каравелл, бороздивших Мировой океан, вряд ли были знакомы с законом Архимеда: ведь прочесть о нем в XV веке можно было главным образом в редких и малодоступных арабских рукописях. Нет сомнений, что древние умельцы пришли к удачным инженерным находкам без понимания физической сущности явлений, то есть чисто практически. Их вели вперед лишь опыт и смекалка.

Спрашивается, каковы же реальные возможности такого «практицизма»? Были ли достижения древних лишь случайными или они все же опирались на еще не известные (а может быть, уже забытые в те времена?) общие научные принципы? Законен и другой вопрос: почему острая потребность нашей технологии в научном подходе возникла так недавно? В чем конкретно выявились преимущества этого подхода? Мы попытаемся дать хотя бы частный ответ на подобные вопросы. И будем исходить лишь из опыта решения человеком одной из важнейших и интереснейших проблем техники — проблемы трения.

Как облегчить перетаскивание груза по суше? Эта проблема стояла перед человеком еще на самой заре цивилизации. Поразительно, однако, что по меньшей мере пять тысячелетий назад, то есть задолго до появления классической науки, было найдено даже не одно, а целых три решения этой проблемы. И все три решения по праву считаются фундаментальными.

Первое и, пожалуй, главное решение — переход от трения скольжения (волочения груза) к качению. Использовали бревна и другие округлые тела. Идея привела к изобретению колеса, что составило целую эпоху не только в развитии транспорта, но и техники вообще. Вращающееся на довольно тонкой оси (или вместе с нею) колесо явило собой гениальное сочетание целых трех великих изобретений древности: рычага, способа качения и пленочной смазки, о которой речь ниже. В результате потери на трение были достаточно малы даже при плохом состоянии дороги и очевидной «топорности» самих колес.

Второе изобретение — уменьшение трения в несколько раз с помощью тончайшей пленки жидкости. Вначале это была, по-видимому, обычная вода (Древний Египет), значительно позднее — растительное масло (античная Греция). Такой способ практиковали для перетаскивания гигантских статуй задолго до того, как он был реализован в подшипниках мельниц, колодезных воротах и других старинных машинах. Любопытно, что аналогичный прием с успехом использовали уже в середине XV века турки при осаде Константинополя. Чтобы неожиданно для противника перебросить тяжелые боевые суда по суше, завоеватели применили деревянные настилы, обильно смазанные салом.

Наконец, третье решение было по существу обходным. От сухопутных перевозок переходили к водным, сухое трение заменяли жидкостным, которое, учитывая медленность передвижения, было фантастически малым. Более того, в отличие от сухого трения и даже трения качения оно почти не возрастало при увеличении груза! Легко представить, какое гигантское преимущество имели даже неуклюжие плоты и утлые лодчонки в эпоху тяжеловесных, запряженных волами повозок и почти полного бездорожья. Неудивительно, что речной, а затем и морской транспорт сыграли знаменательную роль в истории цивилизации.

Именно с помощью совсем небольших и таких неказистых с виду судов древнего мира и эпохи средневековья впервые возникли связи между дальними странами, утвердилась международная торговля, открыты многочисленные острова и целые континенты. Речные пути долгое время были почти единственным способом проникновения в глубь заросших дремучими лесами материков, в загадочные лесные массивы Северной и Южной Америки, сибирскую тайгу и африканские джунгли. Могущество и процветание целых империй нередко зависело от доступа к портам и состояния морского флота. И все это, по сути дела, заключалось в решении проблем трения. Перевозя грузы и людей водным способом, эту проблему вообще «снимали с повестки дня»!

Но найденные когда-то, и верные в принципе, решения прогрессировали удивительно медленно. Это объяснялось, конечно, убожеством дорог, они не позволяли двигаться с большой скоростью. Для всей древней техники вообще типична тихоходность. Именно поэтому фрикционный нагрев, нагрев при трении, этот бич современных машин, долго никого не беспокоил. Подшипники качения, известные еще в эпоху римских цезарей и заново изобретенные гениальным Леонардо да Винчи, не получали распространения. В них просто не было нужды. Однако главная, на наш взгляд, причина технического застоя состояла в том, что чисто практический метод древних, в конце концов, исчерпал себя и не мог уже дать чего-то принципиально нового.

Систематическое научное исследование сухого трения началось в XVIII веке трудами Эйлера и в особенности — Кулона. Он работал, кстати, все для того же морского флота. Важные закономерности, открытые великими учеными, эпизодически использовали для расчетов спуска на воду тяжелых морских судов, позднее — для оценки тяги первых паровозов, движущихся по гладким рельсам. Постепенно, по мере успехов науки, становилось ясно, что старинные способы снижения трения выбраны не случайно — они базируются на каких-то общих принципах, вытекающих из глубинной сути явлений. Но эта суть — физическая природа трения — оставалась загадочной.

Открытие и определение адгезии

Сейчас, оглядываясь назад, можно уверенно выделить два научных события, случившихся в начале и в самом конце XVIII века, события, оказавшие, правда много лет спустя, решающее влияние на формирование современных представлений о трении. Первое из них связано с открытием Дезагюлье слипания кусков мягкого металла, прижатых друг к другу. Явление получило название «адгезия».

Классическое определение того, что такое адгезия звучит так: адгезия – это сцепление поверхностей разнородных твердых и/или жидких тел. Явление адгезии обусловлено межмолекулярными взаимодействиями.

Особенно интенсивная адгезия была заметна при скольжении наиболее гладких образцов. Это казалось удивительным, что опровергало естественное вроде представление о трении как результате зацепления неровностей двух поверхностей. С другой стороны, адгезия наблюдалась далеко не всегда, и считать ее универсальной причиной трения не было оснований.

Вторым открытием, или, скорее, озарением, было четкое осознание: при трении механическая энергия обязательно переходит в тепло. Эта, казалось бы, избитая и в те времена истина (еще кроманьонцы добывали огонь трением) была далеко не тривиальной в эпоху господства теории теплорода. Дело в том, что такая теория допускала небольшой нагрев тел при трении лишь за счет перераспределения в них некоторой спрятанной «тепловой субстанции». Но граф Румфорд, терпеливо наблюдавший в Мюнхенском арсенале за трудоемким и продолжительным сверлением пушечных стволов, заметил, что сильное выделение тепла при трении не ограничено во времени. Следовательно, источник тепла — не внутренняя потенция тел, а нечто внешнее? Быть может, работа той силы, которая заставляет сверло вращаться?

Значительно позднее, когда был открыт закон сохранения энергии и сформулированы начала термодинамики, твердо установили: переход механической энергии в тепло совсем не случаен. Он обусловлен всеобщей тенденцией к повышению энтропии, прямо следующей из второго начала термодинамики.

Таким образом, круг поисков физических причин трения резко сузился. Тем не менее, ученым оставалось объяснить главное — каким способом механическая энергия при трении переходит в тепло. Снова погоня за сутью явлений. И снова в поле зрения исследователей микронеровности, существующие даже на гладких на вид поверхностях. Не связаны ли потери на трение с бесчисленными подъемами и спусками тел по таким бугоркам? Расчеты показали, что такой механизм рассеяния энергии вполне реален при достаточно крутых бугорках. Однако неровности на поверхностях трения были нередко пологими, что начисто отметало механизм «подъема-спуска».

Более обоснованной и живучей оказалась гипотеза пластического деформирования неровностей при трении. Действительно, при этом может выделяться много тепла. Загвоздка, однако, в том, что способность большинства металлов к пластической деформации ограничена определенным числом циклов. Позже наступает так называемый наклеп, когда металл твердеет. А при этом в тепло превращается совсем мизерная энергия. Получалось, что по мере приработки поверхностей потери на трение должны стремиться к нулю, чего, увы, никогда не наблюдалось.

Были и другие, не менее убедительные факты, компрометирующие гипотезу деформирования бугорков. Самый разительный тому пример — скольжение и качение цилиндра по плоскости. В последнем случае потери на трение, как известно, исчезающе малы, хотя число, размеры и другие свойства бугорков, сминаемых на единице пути при скольжении и качении строго одинаковы. Да, здесь было над чем поломать голову!

Тем временем промышленная революция XIX века настойчиво требовала ускорения технических операций. Символ прогресса, паровые поезда должны были ходить все быстрее и быстрее. Беда заключалась в том, что при повышенной скорости подшипники нагревались и плавились. Избавиться от напасти можно было лишь одним способом — уменьшить трение в подшипниках до неслыханно низкого уровня. Однако состояние тогдашней техники не давало ни малейшего намека на решение проблемы.

Но выход был найден сразу после того, как Рейнольде открыл удивительное явление. Тонкий слой жидкости создавал подъемную силу за счет… собственного внутреннего трения! Этот гидродинамический эффект мог возникать прямо в подшипнике при достаточно быстром вращении вала и легко создавал подъемную силу в десятки кг/см². В качестве вязкой жидкости можно было использовать дешевое минеральное масло, считавшееся тогда никчемным отходом. Развитие теории гидродинамической смазки Петровым и плеядой других ученых позволило успешно применить жидкостную смазку не только на транспорте, но и во многих быстроходных машинах и приборах, начиная от гигантских гидротурбин и кончая миниатюрными гироскопами.

И, тем не менее, жидкостное трение не было панацеей. Суровых условий эксплуатации не выдерживали уже сами смазочные масла. Типичный для техники прошлого ХХ века неуклонный рост температур, нагрузок и скоростей требовал все более широкого использования сухого трения. Однако потери при сухом трении были в сотни раз больше, чем при жидкостной смазке и в опорах качения. А тайна сухого трения по-прежнему оставалась неразгаданной. Ученые зашли в тупик.

Адгезионная связь

Теперь самое время вернуться к адгезии. Нужно уточнить, что такое адгезионная связь. Естественная жесткость твердых тел обусловлена многочисленными связями, возникающими между соседними атомами или молекулами. Рождение любой связи сопровождается рассеянием в тепло некоторой избыточной энергии, сравнимой с энергией самой связи. Простая модель: шарики катятся по горизонтальной поверхности, а на ней небольшие колодцы. При случайном попадании в колодец шарик, в конце концов, успокаивается на его дне. При этом рассеивается часть потенциальной энергии шарика.

Зато положение шарика теперь уже строго фиксировано и устойчиво. А чтобы извлечь его из колодца, нужно затратить энергию — энергию связи. Таинственная способность атомов и молекул объединяться в тела объясняется довольно просто: такое коллективное состояние наиболее устойчиво, а следовательно, и наиболее вероятно.

Адгезионные связи неизбежно появляются между атомами и молекулами различных тел в местах их контакта. А при скольжении соприкасающихся тел установившиеся было связи тут же рвутся, и вместо них немедленно образуются новые. Происходит, как говорят, непрерывный обмен адгезионных связей, сопровождающихся вполне ощутимым выделением тепла. Трение и есть результат интенсивного обмена адгезионных связей, возникающего в зоне контакта тел при их относительном перемещении.

Спрашивается, что же нужно сделать для снижения трения? Очевидно, прежде всего, попытаться уменьшить энергию адгезионных связей. Именно так и поступили древние египтяне и греки, придумавшие граничную смазку. Действительно, если энергия связей между твердыми телами измеряется обычно несколькими электрон-вольтами, то пленка растительного масла, «сидящая» на поверхности металла, снижает эту энергию до нескольких десятых долей электрон-вольта. Надо сказать, что такие пленки находятся в особом, почти твердом состоянии, поэтому они очень прочны.

В свободной воде, как и в любой жидкости, связь между молекулами почти полностью скомпенсирована тепловым движением. Это означает, что молекулы жидкости обладают большой свободой по отношению друг к другу. Именно поэтому достаточно медленное скольжение по водной глади практически не встречает никакого сопротивления, чем с успехом и воспользовались наши гораздые на выдумку предки. Выходит, что адгезионная модель «работает» и в этом случае.

Но мы пока никак не объяснили преимущества качения! Чем оно лучше скольжения? Из примера с цилиндром четко следует, что энергия адгезионных связей, да и их число на площади контакта абсолютно одинаково, как при скольжении, так и при качении. Тем не менее, трение при переходе от скольжения к качению падает в десятки тысяч раз! Трение и адгезионный эффект практически исчезают. Куда же они деваются?

Еще 100 лет назад ответа на такой вопрос не существовало вообще. Сейчас можно все это объяснить на простом и наглядном примере. Представим, что к столу приклеена лента. Клей создает в данном случае подчеркнуто сильные адгезионные связи. Попробуем сдвинуть ленту, потянув ее вдоль стола. Ничего не получится. Мы рискуем лишь порвать ленту. Прибегнем теперь к общеизвестному способу. Потянем край ленты вверх, и она легко отстанет от стола. Для удобства прикрепим край ленты к цилиндрику и покатим его. Постепенно освобождая ленту, мы почта не встретим сопротивления. Но ведь это полная имитация качения. Понятно теперь, в чем дело? Ну, конечно. Те же связи, которые при скольжении мы вынуждены разрушать одновременно, рвутся при качении строго последовательно, к тому же микроскопическими порциями.

Итак, опираясь на простой в сущности принцип обмена адгезионных связей, мы более или менее удачно объяснили все три основные способа снижения трения, пришедшие к нам из глубин тысячелетий. Но объяснение интересно не само по себе. Важно иное — что обещает теория. После многовекового «практицизма» что даст наука? Какие горизонты она откроет?

Как видите, существуют два фундаментальных способа снижения сухого трения. Первый — максимально ослабить интенсивность обмена адгезионных связей. Второй — попытка уменьшить, насколько возможно, энергию самих связей.

Каковы же физические пределы обоих способов? В какой степени потенциальные ресурсы, разрешаемые природой, уже исчерпаны?

Рассмотрим первый путь, подсказываемый строгой теорией. Стоит ли стараться и дальше сводить на нет обмен адгезионных связей, который и без того почти затухает при качении? Здесь выясняется любопытная вещь. Оказывается, что качение — далеко не единственный и даже не самый эффективный путь устранения адгезионного обмена. Вопреки распространенному мнению, аналогичные способы перемещения, хотя внешне и совсем не похожие на качение, широко распространены в живой природе. К ним относится, например, хождение и ползание. Кинематически они намного сложнее качения. Однако позволяют двигаться практически без трения по очень сложному рельефу. Недаром подобные виды передвижения привлекли пристальное внимание проектировщиков вездеходов и планетоходов.

Ну, а второй путь? Физикам известны разные виды межатомных связей. Наиболее слабые из них, так называемые связи Ван-дер-Ваальса, характеризуются энергией порядка нескольких сотых электрон-вольта. Очевидно, что поверхности, способные создавать только такие связи, должны обладать наименьшим трением. Но, увы, тела на их основе развалились бы уже при комнатной температуре. Ведь энергия связей сравнима в данном случае с энергией тепловых колебаний.

Выход состоит в том, что в качестве твердых смазок используются вещества с анизотропной, разнородной по направлениям, кристаллической структурой. Некоторые такие вещества, например молибденит и графит, имеют слоистую структуру — прочные сами по себе слои очень слабо связаны друг с другом. Такие материалы обладают отменной прочностью на сжатие и широко применяются в узлах трения прямо в чистом виде.

Оказывается, однако, что теоретически возможности подобных твердых смазок далеко не исчерпаны. Ведь отдельные блоки, из которых состоят поликристаллические тела, расположены друг по отношению к другу хаотически, напоминают груду кирпича, сваленную нерадивыми строителями. Но получить предельно низкое трение можно, лишь ориентировав кристаллы так, чтобы их грани, слагающие дорожку наподобие аккуратной кирпичной кладки, имели бы наименьшую свободную энергию, а следовательно, и минимум адгезии. Больше того, необходимо, чтобы такая безукоризненная дорожка длительно работала на трение, то есть выдерживала без разрушения гигантские контактные напряжения.

Еще совсем недавно было совершенно неясно, как это сделать даже в стерильных лабораторных условиях, не говоря уже о технических устройствах. Сейчас, однако, ученые нашли вполне реальные способы получения и стабилизации таких сильно упорядоченных поликристаллических структур, толщиной всего в несколько десятков атомов.

Выяснилось, что естественным источником дополнительной энергии, необходимой для формирования таких структур, может служить… само трение, которое в итоге пожирает себя подобно мифическому дракону.

Однако для успеха столь дерзкой операции требуется исключительно сильная «встряска» поверхностного слоя, освобождающая его от многочисленных примесей и дефектов. Такую «встряску» можно получить путем бомбардировки тела ускоренными частицами — электронами или же атомами инертного газа. Упорядоченный этим способом поверхностный слой обладает аномально низким трением и рядом других необычных свойств. В итоге потери на сухое трение в ряде случаев получаются столь же низкими, как при жидкостной смазке или в опорах качения.

А каков же вывод? Практика древних механиков привела в итоге к фундаментальному решению важнейшей и далеко не тривиальной инженерной проблемы. Это означает, что специалисты древнего мира пусть мучительно медленно, но зато настойчиво следовали столбовой дорогой технического прогресса, рационально, по-хозяйски используя буквально все, что могли дать подручное сырье и доступные эпохе методы обработки.

Успеху эмпирического подхода способствовал, как видно, сильно замедленный темп технического прогресса, характерный не только для Древнего мира, но и эпохи Средневековья. Вместо скачков, типичных для современной технологии, мы замечаем здесь неспешное, но зато неуклонное приближение к идеальному решению, как это случилось, например, с колесом и подшипником скольжения.

А понимание внутреннего смысла задачи? Оно было при этом совсем не обязательным. Такое понимание складывалось значительно позднее, уже в эпоху становления классической науки. Заметим, однако, что и в эпоху безраздельного господства практицизма подход, основанный на проникновении в скрытую суть пропорций и явлений, приводил иногда к выдающимся практическим результатам (машины Архимеда) или надолго оставался выдающимся памятником феноменального инженерного провидения (изобретения Леонардо да Винчи).

И все же основным путем раскрытия секретов природы стал научный метод, разработанный Галилеем и основанный на анализе физических моделей явлений.

И еще что важно — практический метод, несмотря на очевидную эффективность, имеет все же некий естественный порог, предел. Этот предел достижений объясняется несовершенством творческого поиска, основанного лишь на бесчисленных пробах и ошибках. В области трения такой порог был достигнут, по-видимому, примерно к началу первой промышленной революции. Рожденные ею новые задачи, в частности создание быстроходных подшипников для поездов и электромашин, потребовали не только оригинального, но и оперативного решения. В результате традиционный поиск наугад стал все чаще заменяться целенаправленным научным исследованием самой сути проблемы. Классическим образцом такого подхода служит гидродинамическая теория смазки, составившая эпоху в борьбе с трением.

Мы видим, наконец, что научное осознание внутреннего смысла явлений позволяет вскрыть глубокую и неожиданную связь между, казалось бы, вполне самобытными изобретениями и по-новому оценить их потенциальные возможности.

Однако специфическая и, возможно, главная роль прикладной науки состоит все же в том, что она способна дать промышленности и такие решения, которые вообще не могут быть найдены чисто практическим путем. И это главное.

Без глубоких теоретических исследований невозможно было бы дойти до идеи использовать, с целью устранения трения, особое, не встречающееся в естественном виде состояние твердого вещества, отличающееся строгой и стабильной упорядоченностью структуры на атомно-молекулярном уровне. «Сверхдостижения» в технике невозможны без глубоких, неожиданных и сложных научных теорий. Если прежде объяснение явлений не спеша следовало за практическим его применением, то теперь теория все чаще предваряет практику. Видимо, в этом одна из особенностей научно-технической революции.

Автор: А. Силин, доктор технических наук.