Basketbol maçlarında ayakkabıların parkede çıkardığı o tiz ses veya araba lastiklerinin asfaltta gıcırdaması hepimizin aşina olduğu sesler. Bilim insanları yaptıkları bir dizi deneyle, spor ayakkabısı taban desenlerinin geometrisinin bu seslerin frekansını belirlediğini keşfetti. Bu sayede, belirli frekanslara ayarlanmış lastik bloklar kullanarak cam yüzeyler üzerinde kaydırıldığında Yıldız Savaşları'nın "Imperial March" müziğini çalmak mümkün hale geldi.
Bu keşfin öncü isimlerinden biri, sürtünme davranışını anlık olarak ayarlamanın uzun zamandır mühendislik alanında bir hayal olduğunu belirtti. Yüzey geometrisinin kayma atımlarını nasıl yönettiğine dair elde edilen bu yeni içgörü, düşük sürtünmeden yüksek tutunma durumlarına isteğe bağlı olarak geçiş yapabilen ayarlanabilir sürtünme metamateryallerinin yolunu açıyor. Dahası, bu sonuçlarla ortaya çıkan dinamikler, tektonik faylarınkine benziyor ve bilim insanlarına depremlerin mekaniği için yeni bir model sunuyor.
Sürtünmenin ilk sistematik çalışmasının 15. yüzyılın sonlarında Leonardo da Vinci'ye atfedildiği düşünülüyor. Günümüzde triboloji olarak bilinen bu alan, birbirine göre hareket eden yüzeylerin dinamiği ile ilgileniyor. Da Vinci'nin defterlerinde, ağırlıklar ve makaralar kullanarak blok sıralarını çektiği, vidalı bağlantılar, tekerlekler ve akslardaki sürtünmeyi incelediği görülüyor. Bu son çalışmanın yazarları da Da Vinci'ninkine benzer bir deneysel düzenek kullanmış.
Spor ayakkabılarının spor salonu zemininde çıkardığı sesin genellikle sürtünmeye, özellikle de iki yüzey arasındaki yapışma ve kayma döngülerini içeren "yapış-kaydır" türü sürtünmeye bağlandığı düşünülüyor. Ancak bu model, gıcırtılı kapı menteşeleri gibi iki sert nesne arasındaki etkileşimler için daha uygun. Spor ayakkabısı tabanlarının spor salonu zemininde kayması ise bir sert nesne (zemin) ve bir yumuşak nesne (ayakkabı tabanı) içeriyor. Bu çalışmadaki araştırmacılar, yumuşak-sert arayüzlerin dinamiklerini daha kapsamlı anlamak istediler.
Araştırmacılar ilk olarak, ticari spor ayakkabılarını pürüzsüz ve kuru bir cam plaka üzerinde kaydırdılar. Bu sırada taban ile cam arasındaki sürtünme arayüzünde neler olduğunu ses ve görüntü kaydı alarak gözlemlediler. Kayma yönünde düzensiz bir şekilde ilerleyen açılma atımları tespit edildi; bu da ayakkabı tabanı ile cam plaka arasında geçici yerel süpersonik ayrılmalara neden oluyordu. Bu duyulabilir seslerin rastgele olmadığı, frekansının üretilen atımların tekrar oranından kaynaklandığı anlaşıldı.
Bu hipotezi daha fazla test etmek için araştırmacılar, silikon kauçuktan kendi bloklarını yaptılar: biri düz kayma yüzeyine sahip, diğeri ise spor ayakkabısı tabanlarına benzeyen paralel ince oluklara sahip. Her iki versiyonu da aynı kuru cam plaka üzerinde kaydırdıktan sonra, belirli bir eşiğin üzerinde (saniyede 0.3 metre) kayarken sürtünme arayüzünde tutarlı bir şekilde atımlar ürettiklerini gördüler. Hatta bazen sürtünmeden kaynaklanan triboelektrik deşarjların (küçük şimşekler) atımları tetiklediği ve sese bir kıvılcım kattığı gözlemlendi.
Ayarlanabilir Frekanslar
Düz ve oluklu bloklar arasında bazı farklılıklar vardı. Düz bloklar, geniş bant gürültüsüne (bir tıslama sesi gibi) benzeyen düzensiz atımlar üretti ve kayma genliği zamanla ve yüzey boyunca büyük dalgalanmalar gösterdi. Oluklu bloklar ise daha odaklanmış bir perdeye sahip atımlar üreterek daha büyük dalgalanmaları en aza indirdi ve daha düzgün bir kayma genliği ve frekansı sağladı. Sonuçlar, yapış-kaydır dinamiğinin frekanslarının kayma hızları arttıkça arttığı standart bir yay-blok modeli tarafından öngörülenlerden de farklıydı. Bunun yerine, deneyler kayma hızları arttıkça temel frekansların aynı kaldığını gösterdi.
Yani, ayakkabı seslerinin frekansını belirlemede geometri önemli bir rol oynuyor. Ekip, hatta Yıldız Savaşları'nın "Imperial March" müziğini çalmak için farklı yüksekliklerde, belirli frekanslara ayarlanmış lastik bloklar tasarlayabildi.
Bu sonuçlar, geleneksel olarak birbirinden kopuk iki alanı birleştiriyor: yumuşak malzemelerin tribolojisi ve deprem dinamiği. Yumuşak sürtünmenin genellikle yavaş olduğu düşünülse de, spor ayakkabısı sesinin bir fay hattı yırtılmasından daha hızlı veya ona eşit hızda yayılabileceği ve fiziklerinin şaşırtıcı derecede benzer olduğu gösterildi.
