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[交流] 当橡胶接触马路时

时间:2015-06-15 15:27 来源:环球科学（huanqiukexue.com）
研究人员从原子层面揭示了轮胎在沥青公路滑行时，橡胶与地面相互作用的情况。
2015 年5月15日华盛顿—摩擦力是一种可以让运动的物体减速的作用力，在行进的汽车中，刹车器可以挽救乘客的生命。摩擦力如此重要，人们却从不知道如何从原子或分子层面解释这种现象的作用机制。

在长达20多年的时间里，德国于利希研究中心（Jülich Research Center）的科学家Bo Persson一直在研究在他看来奇妙无比，但却常常被大家忽略的摩擦力现象。最近，Persson和他的同事们揭示了橡胶轮胎在沥青路面上滑行时，所产生的摩擦力依赖于速度和温度的新性质--这一发现支持了一种新观点，即认为摩擦力的一个重要成因在于橡胶分子链与路面反复的黏合，拉伸和释放。研究组将他们的成果发表在美国物理联合会出版的《化学物理学报》中。

“橡胶摩擦力是一个非常有趣且实用的研究课题，它在轮胎制造及许多领域都有着广泛的应用，”Persson说。比如，对于摩擦力更深入的理解能够帮助轮胎公司选择时令的材料，高效地制作高质量的轮胎花纹。

“目前轮胎公司要在制造完所有的轮胎之后，再逐个测试轮胎的质量，”Persson说。如果使用一种模型就可以提前可靠地预测材料的行为，则可以省却很多时间和费用，他说。

拆析摩擦力
科学家们相信，从原子层面来说，橡胶摩擦力产生的主要原因之一是当橡胶挤压在路面粗糙的作用点时会产生形变。

当轮胎挤压沥青微粒时，能量在橡胶材料内部传播,让橡胶分子互相碰撞，从而使能量耗散。能量耗散的多少取决于路面的质地，这就是为什么粗糙的路面相较光滑的路面会产生更大的摩擦力。能量的耗散也与橡胶自身的黏弹性有关，它决定了材料在受到挤压时如何变形。

黏弹性在工业上是唯一用来估测橡胶摩擦力的依据，但单凭它来解释橡胶在现实世界中的表现并不理想， Persson说。因为还有另一个复杂因素贡献于摩擦力的产生，它是由橡胶被平行地拖拽于路面上时所引起的。这种拖拽运动，又叫做剪切作用，为摩擦力的产生制造了很多条件，比如使橡胶分子与路面结合，使橡胶开裂，橡胶中的硬质填充物与地面的刮蹭，以及附着的液体（比如油类）和污染物（如灰尘）在橡胶和路面之间形成隔离层等等。

多年来，Persson 用一种可在硬质粗糙表面上滑行的橡胶块做实验，致力于研究描述黏弹性和剪切作用对摩擦力贡献的系列方程。

该理论的重要部分是计算橡胶块和粗糙表面接触面积的方法。尽管对于人眼来说，橡胶看似已和地面充分接触，但是如果放大到微观和纳米的尺度，便可以发现界面的凸凹不平其实已将两种材料隔离开。橡胶和地面真正接触的面积其实非常小，对于整只轮胎来说，大约只有一平方厘米的数量级， Persson强调说。

在2015年初，Persson和一位同事在实际中验证了关于真实接触面积和黏弹性系数的理论预测，发现实验结果和数值模拟吻合的很好。

但是当橡胶和路面相互接触时，该理论中关于剪切作用的论述是否成立呢？

古老的实验验证了崭新的理论
Persson研究组的实验采用了15世纪文艺复兴艺术家莱昂纳多.达.芬奇设计的一种方案，即在背景温度不断变化的条件下，研究人员测量了三种不同的橡胶复合物在三种不同的表面（两种沥青表面和一种砂纸表面）被拖拽时产生的摩擦力。

研究者们只测试了慢滑行速度，即不超过每秒钟一毫米的滑行速度，这能够避免摩擦生热，防止影响到橡胶的黏弹性。

"橡胶的摩擦理论里是一个非常复杂的课题，任何有关橡胶摩擦的新理论首先要在最简单的条件下验证，”作者在论文里写到。

研究人员还发现Persson理论中于摩擦剪切作用的论述和实验结果也吻合的很好。他们发现剪切作用对橡胶摩擦力的贡献随着温度和速度的变化与橡胶黏弹性不同--这一发现表明过去认为摩擦力只依赖于橡胶黏弹性的观点有可能是错误的。

剪切作用来源于橡胶分子与路面的粘贴，拉伸，断裂，和再粘贴。Persson和他的同事们收集的数据在速度和温度相关性方面为他们的粘贴摩擦力模型提供了有力的支持--低温时，摩擦力衰减的很快，因为分子与地面之间的结合健形成的慢，而高速时，由于橡胶移动的太快以至于分子来不及和地面粘贴，摩擦力也会衰减的快。

Persson强调，这项初始的结果仅限于干燥洁净的表面。对于湿滑的表面，刹车时轮胎和地面之间会有一层超薄的水膜将二者分开，阻碍橡胶分子有效地和沥青结合。在这种情况下，粘贴作用对橡胶摩擦力的贡献就可以忽略不计，单凭橡胶黏弹性就可以对摩擦力做出良好的预估，他说。(美国物理联合会张铮铮)

论文链接http://scitation.aip.org/content ... 9/10.1063/1.4919221

关于期刊
《化学物理学报》发表化学物理中有关手段和应用方面的简洁和有决定性的重要研究报告。参阅 http://jcp.aip.org

在长达20多年的时间里，德国于利希研究中心（Jülich Research Center）的科学家Bo Persson致力于摩擦力的研究图片来源：FZ Jülich

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