Активные частицы продемонстрировали аномальные режимы кулоновского трения

Физики выявили три аномальных режима движения активных частиц, подверженных кулоновскому трению: пассивный (стремящийся к классическому броуновскому движению), умеренно активный с чередованием диффузии и ускоренного движения, а также максимально активный со сверхмобильным динамическим режимом. Результаты экспериментов, опубликованные в статье для журнала Physical Review Letters, указали на смешение сухого трения и трения, характерного для движения в жидких средах.

Закон Амонтона — Кулона, который фундаментален для сухого трения на макроскопическом уровне, проходят еще в рамках школьной физики. Уточнение природы трения на молекулярном уровне привело ученых к интересным исследованиям о броуновских наномоторах, движении гранулированных частиц и рэлеевских поршнях, однако независимость силы сухого трения от скорости осталась непреложным фактом. При этом, в отличие от сухих систем, в жидких (например, коллоидные растворы), трение линейно зависит от скорости, что напрямую следует из закона Стокса, и до недавнего времени исследователи не сообщали о проявлении сразу двух видов трения одновременно.

Группа физиков из Германии и Италии под руководством Александра Антонова (Alexander Antonov) из Дюссельдорфского университета продемонстрировала движение активной частицы, управляемое смешанными режимами трения. Для этого физики использовали в качестве частиц двух активных виброботов высотой примерно шесть миллиметров и массой 0,83-2,50 грамма, которые активировались с помощью вертикально вибрирующей пластины, прикрепленной к электромагнитному шейкеру. Благодаря наличию ножек с одной из сторон частиц, последние при столкновении с пластиной получали импульс и начинали двумерное направленное движение, которое регулировалось кулоновским трением из двух составляющих. Первая, динамическая, замедляла уже движущуюся частицу, а вторая, статическая, вносила свой вклад при стремящейся к нулю скорости частицы. Таким образом, ученые экспериментально реализовали модель с двумя коэффициентами трения и обнаружили аномальные режимы движения, которых ранее никто не наблюдал.

При малых амплитудах колебаний пластины активная сила не превышала силу трения, что подавляло динамические эффекты в системе, а результирующее движение оказалось аналогичным броуновскому. По мере того как амплитуда встряхивания росла, увеличивалась и вероятность того, что активная сила станет больше силы трения — это привело к ситуации, в которой частица то двигалась с ускорением, то останавливалась и возвращалась к броуновскому движению. То есть в эксперименте чередовалось сухое трение, не зависящее от скорости, и трение, характерное для частиц во влажной среде и прямо пропорциональное скорости. Наконец, когда амплитуда встряхивания значительно превысила порог силы трения, частица перешла в режим, который физики назвали сверхмобильным, с периодами непрерывного ускорения и внезапного замедления. Этот случай отличился от второго тем, что модуль скорости частицы продемонстрировал скачок и медленное затухание до нуля, в то время как в режиме остановки и движения модуль скорости имел нулевое пиковое значение.

Авторы работы предположили существование трех динамических режимов в результате действия кулоновского трения и в других экспериментальных системах. Режимы движения-остановки и сверхмобильности могут привести к экзотическим коллективным движениям в активных системах — от гигантских флуктуаций плотности до возникновения больших пульсирующих кластеров частиц.

О том, как физики используют свои знания о силе трения для совершенствования стилусов, мы писали ранее.