علت صدای جیرجیر کفش‌های بسکتبال چیست؟

چرا کفش‌های بسکتبال روی زمین سالن آن صدای تیز و آشنای «جیرجیر» را تولید می‌کنند؟ بیشتر ما تصور می‌کنیم پاسخ ساده است: اصطکاک. اما پژوهشی تازه نشان می‌دهد ماجرا پیچیده‌تر از این حرف‌ها است.

گروهی از مهندسان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان ای. پالسون دانشگاه هاروارد با همکاری پژوهشگرانی از دانشگاه ناتینگهام بریتانیا و مرکز ملی پژوهش‌های علمی فرانسه (CNRS) تلاش کردند بفهمند هنگام جیرجیر کفش، چه اتفاقی در سطح تماس لاستیک و زمین رخ می‌دهد. نتایج پژوهش نشان می‌دهد صدای جیرجیر فقط حاصل «سر خوردن ساده» نیست.

در فیزیک، سال‌هاست برای توضیح صداهایی مانند جیرجیر کفش، صدای ترمز دوچرخه یا تایر خودرو از مفهومی به نام «اصطکاک چسبیدن–لغزیدن» (stick-slip friction) استفاده می‌شود. در این مدل، دو سطح ابتدا به هم می‌چسبند، سپس با افزایش نیرو ناگهان از هم جدا می‌شوند و دوباره می‌چسبند. این چرخه توقف و حرکت، ارتعاش ایجاد می‌کند و ما آن را به شکل صدا می‌شنویم. این توضیح برای تماس سطوح سخت با سطوح سخت مثل لولای در، بسیار خوب عمل می‌کند. اما لاستیک ماده‌ای نرم است و وقتی روی سطحی سخت مانند کف سالن بسکتبال حرکت می‌کند، رفتارش با فلز یا چوب فرق دارد.

پژوهشگران برای دیدن آنچه واقعاً رخ می‌دهد، از تصویربرداری نوری فوق‌سریع و ثبت همزمان صدا استفاده کردند تا حرکت لاستیک نرم روی یک صفحه شیشه‌ای صاف را با دقت بسیار بالا مشاهده کنند. آنچه دیدند، لغزشی یکنواخت و ساده نبود.

این پالس‌ها با سرعتی بسیار بالا و حتی در برخی موارد با سرعتی بیشتر از سرعت انتشار صوت در همان ماده، در سطح تماس حرکت می‌کنند. تکرار منظم همین پالس‌هاست که ارتعاش ایجاد می‌کند و گوش ما آن را به صورت صدای جیرجیر می‌شنود.

آدل جلولی، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه هاروارد و نویسنده نخست مقاله، به‌نقل از لایوساینس می‌گوید این یافته‌ها فرض قدیمی را به چالش می‌کشد: اینکه بتوان رفتار اصطکاک مواد نرم را به طور کامل با مدل‌های ساده و یک‌بعدی «چسبیدن–لغزیدن» توضیح داد. به گفته او، در مواد نرم، پدیده بسیار موضعی‌تر و پیچیده‌تر از چیزی است که قبلاً تصور می‌شد.

یکی از شگفت‌انگیزترین بخش‌های آزمایش زمانی رخ داد که پژوهشگران در برخی موارد جرقه‌های بسیار کوچکی در محل تماس مشاهده کردند. این جرقه‌ها در واقع تخلیه‌های الکتریکی و چیزی شبیه صاعقه‌های مینیاتوری بودند.

وقتی دو ماده روی هم می‌لغزند، می‌توانند بار الکتریکی تولید کنند؛ پدیده‌ای که آن را «الکتریسیته ساکن» می‌نامیم؛ همان اتفاقی که باعث می‌شود بعد از راه رفتن روی فرش، هنگام لمس دستگیره فلزی شوکی کوچک احساس کنیم. در این آزمایش‌ها، هنگام حرکت سریع لاستیک روی شیشه، بار الکتریکی در سطح تماس جمع و در برخی شرایط به صورت جرقه‌های کوچک تخلیه می‌شد.

در بعضی آزمایش‌ها به نظر می‌رسید این تخلیه‌های الکتریکی حتی آغازگر پالس‌های لغزش باشند. البته پژوهشگران تأکید می‌کنند که این جرقه‌ها منبع اصلی صدای جیرجیر نبودند، اما نشان می‌دهند که انرژی الکتریکی می‌تواند در چنین سامانه‌ای انباشته شود و در دینامیک حرکت نقش داشته باشد.

یکی دیگر از یافته‌های مهم این بود که زیر و بمی صدا (فرکانس جیرجیر) بیشتر از آنکه به سرعت حرکت بستگی داشته باشد، به شکل هندسی سطح لاستیک وابسته است.

وقتی بلوک‌های صاف لاستیکی روی شیشه حرکت می‌کردند، پالس‌های لغزش نامنظم بودند و صدایی گسترده و پخش‌شده تولید می‌کردند. اما وقتی پژوهشگران روی سطح لاستیک شیارهای باریک و منظم ایجاد کردند، این شیارها مانند کانال عمل و پالس‌ها را مجبور کردند در فواصل زمانی منظم تکرار شوند. در نتیجه، صدا در فرکانس مشخصی «قفل» شد و جیرجیر واضح‌تری ایجاد کرد. پژوهشگران دریافتند که این فرکانس عمدتاً به ارتفاع شیارهای لاستیکی بستگی دارد. هرچه هندسه سطح دقیق‌تر کنترل شود، می‌توان صدای تولیدشده را نیز دقیق‌تر پیش‌بینی کرد.

مجتبی بوالحسنی

شیارهای روی تایر خودرو چه کاربردی دارند؟

مطالعه '3

الگو آن‌قدر قابل اعتماد بود که تیم پژوهشی بلوک‌هایی با ارتفاع‌های مختلف ساخت و با حرکت دادن آن‌ها روی سطح، تم معروف «مارش امپراتوری» از مجموعه جنگ ستارگان را اجرا کرد. آدل جلولی می‌گوید برای ضبط این ویدئو سه روز کامل تمرین کردند، چون هیچ‌کدام از اعضای تیم تجربه «نواختن موسیقی با لاستیک جیرجیرکننده» نداشتند!

شاید مهم‌ترین پیامد تحقیق فراتر از کفش‌های بسکتبال باشد. پالس‌های لغزشی که در این آزمایش مشاهده شدند، شباهت‌های قابل توجهی با «جبهه‌های گسیختگی» در زمین‌لرزه‌ها دارند.

به بیان ساده، آنچه در مقیاس سانتی‌متری زیر کف یک کفش رخ می‌دهد، از نظر فیزیکی می‌تواند با آنچه در مقیاس کیلومتری در دل پوسته زمین اتفاق می‌افتد، مشترک باشد.

یافته‌ها می‌تواند به مهندسان کمک کند سطوحی طراحی کنند که بتوانند بنا به نیاز، بین حالت لغزنده و چسبنده تغییر وضعیت دهند. تصور کنید سطحی که در حالت عادی کم‌اصطکاک باشد، اما با تغییری کوچک در فشار یا میدان الکتریکی، به سطحی بسیار چسبنده تبدیل شود.

کاتیا برتولدی، استاد مکانیک کاربردی در دانشگاه هاروارد، می‌گوید تنظیم رفتار اصطکاکی به‌صورت لحظه‌ای یکی از رؤیاهای دیرینه مهندسان بوده است. به گفته او، درک این که چگونه هندسه سطح می‌تواند پالس‌های لغزش را کنترل کند، راه را برای ساخت «فرامواد اصطکاکی تنظیم‌پذیر» هموار می‌کند؛ یعنی موادی که بتوانند به‌طور فعال از حالت کم‌اصطکاک به حالت با چسبندگی بالا تغییر کنند.

پژوهش در ژورنال Nature منتشر شده است.