Basketbol sahalarında sıkça duyduğumuz o tanıdık ayakkabı sesinin arkasında basit sürtünmenin ötesinde etkenler olabileceği ortaya çıktı.
Bilim insanları, lastik tabanların sert zemin üzerinde çıkardığı o keskin sesin, ayakkabı tabanı ile zemin arasındaki minik alanların süpersonik hızlarda kaymasından kaynaklandığını keşfetti. Hatta bazı deneylerde bu süreçte minyatür, yıldırım benzeri kıvılcımlar da gözlemlendi. Dahası, bu bulgular depremlerin daha iyi anlaşılmasına ve kaymaz yüzeylerin tasarlanmasına da yardımcı olabilir.
Yeni çalışma, 25 Şubat'ta Nature dergisinde yayımlandı. Araştırmacılar, yumuşak lastiklerin tahmin edildiği gibi kaymadığını gösterdi. Tüm tabanın aynı anda yapışıp sonra kayması yerine, hareket 'açılan kayma atımları' adı verilen, hızlı, kırışıklık benzeri cepheler halinde kümeleniyor ve temas bölgesindeki lastiğin ayrılıp yeniden yapışmasına neden oluyor. Bu tekrarlayan atımlar, kulaklarımızın ciyaklama olarak duyduğu titreşimleri üretiyor.
Bilim insanları uzun süredir ayakkabı, bisiklet freni ve lastiklerinden gelen ciyaklamaları, yüzeylerin tekrar tekrar tutunduğu ve sonra serbest kaldığı bir dur-kalk döngüsü olan 'yapış-kay' sürtünmesiyle açıklıyordu. Bu model, kapı menteşeleri gibi birçok sert zeminin sert zeminle etkileşiminde iyi çalışıyor.
Ancak lastik gibi yumuşak malzemeler, sert yüzeylerde kayarken farklı davranıyor.
Bu sürecin fiziğini anlamak için Harvard Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu'ndan araştırmacılar, Birleşik Krallık'taki Nottingham Üniversitesi ve Fransa Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi'nden uzmanlarla bir araya geldi. Yumuşak lastiğin pürüzsüz cam üzerinde hızlı hareketini izlemek için yüksek hızlı optik görüntüleme ve senkronize ses kaydı kullandılar.
Ancak gördükleri şey pürüzsüz bir kayma değildi. Bunun yerine, hareketler açılan kayma atımları halinde kümeleniyor, başlar ve duruşlarla lastik üzerinde ilerliyordu.
Çalışmanın baş yazarı Harvard'dan doktora sonrası araştırmacı Adel Djellouli, 'Temel olarak, bu bulgular yumuşak madde sürtünmesinin basitleştirilmiş, tek boyutlu 'yapış-kay' modelleriyle tam olarak yakalanamayacağı yönündeki uzun süredir devam eden varsayıma meydan okuyor.' dedi.
Her Yerde Minik Yıldırımlar
Bulgular, sürtünme fiziği hakkında daha fazla bilgi ortaya koyuyor. Klasik yapış-kay sürtünmesinde, tüm temas yüzeyi yapışma ve kayma arasında gidip gelir. Ancak bu çalışmada, hareket daha lokaldi; yalnızca küçük bölgeler açılıp kayıyor, sonra ilerliyor, diğer bölgeler ise tam temas halinde kalıyordu.
Bazı deneylerde, ekip sürtünmeden kaynaklanan minik parlamalar da gördü ve bunları minyatür 'yıldırım' kıvılcımları olarak tanımladı. Bazı testlerde, bu kıvılcımlar veya elektriksel deşarjlar, kayma atımlarını tetikliyordu. Kıvılcımlar ciyaklamanın ana kaynağı değildi, ancak lastik hareket ettiğinde sistemde elektriksel enerjinin nasıl birikebileceğini gösteriyordu.
Araştırmacılar ayrıca, ciyaklamanın tonunu belirleyen şeyin hareketinden çok lastiğin şekli olduğunu buldular.
Düz lastik bloklar cam üzerinde kayarken, kayma atımları düzensizdi ve net bir ciyaklama yerine geniş bir 'vınlama' sesi çıkarıyordu. Ancak araştırmacılar lastiğe ince çıkıntılar eklediğinde, bu çıkıntılar atımları sınırlayarak düzenli aralıklarla tekrarlamalarını sağladı.
Çıkıntılar adeta kılavuzlar gibi davranarak atımları tekrarlayan bir döngüye sokuyordu. Bu, sesi belirli bir frekansta veya tonda kilitledi. Ekip, bu ciyaklama frekansının büyük ölçüde lastik çıkıntılarının yüksekliğine bağlı olduğunu buldu.
Desen o kadar güvenilir hale geldi ki, ekip farklı yüksekliklerde bloklar tasarladı ve bunları el yordamıyla 'Star Wars' filminden İmparatorluk Marşı'nı çalmak için kullandı.
'Star Wars' tema şarkısını çalmak için videoyu doğru çekmek amacıyla üç gün boyunca prova yapmamız gerekti. Hiçbirimiz ciyaklayan lastik bloklarla müzik yapma konusunda eğitimli değiliz, bu yüzden zamanlamayı ve tekniği oturtmak çok pratik gerektirdi. Sanırım en komik kısım, üç gün süren sürekli, yüksek perdeden ciyaklamanın ardından kaydı bitirdiğimizdeki laboratuvardaki rahatlamaydı. Meslektaşlarımız sonunda biraz sessizlik olduğu için çok mutluydular!' dedi Djellouli.
Spor Ayakkabıları Depremlerle Ne Paylaşıyor Olabilir?
Bulguların ayakkabı tasarımının ötesinde etkileri var. Deneylerdeki kayma atımları, bir fay hattının bölümlerinin aniden kırılıp çok yüksek hızlarda kaydığı depremlerdeki kırılma cepheleriyle önemli özellikler paylaşıyor.
Çalışmanın ortak yazarlarından ve Kudüs İbrani Üniversitesi'nde fizik profesörü ile SEAS'da misafir profesör olan Shmuel Rubinstein, 'Yumuşak sürtünmenin genellikle yavaş olduğu düşünülür, ancak bir spor ayakkabısının ciyaklamasının bir fay hattının kırılmasından daha hızlı veya en az onun kadar hızlı yayılabileceğini ve fiziklerinin çarpıcı derecede benzer olduğunu gösteriyoruz.' dedi.
Depremlerin fiziğine ışık tutmanın yanı sıra, bu çalışma mühendislerin talep üzerine kaygan ve tutuşlu durumlar arasında geçiş yapabilen yüzeyler tasarlamalarına yardımcı olabilir.
Harvard'da uygulamalı mekanik profesörü olan Katia Bertoldi, 'Sürtünme davranışını anında ayarlamak uzun süredir devam eden bir mühendislik hayali olmuştur. Yüzey geometrisinin kayma atımlarını nasıl yönettiğine dair bu yeni anlayış, talep üzerine düşük sürtünmeden yüksek tutuş durumlarına geçiş yapabilen ayarlanabilir sürtünme metamateryallerinin yolunu açıyor.' dedi.
