Wrijving is verantwoordelijk voor ongeveer twintig procent van de wereldenergieconsumptie. Dit komt mede doordat wrijvingskrachten de relatieve beweging remmen van oppervlakken die met elkaar in contact zijn: denk aan de bewegende onderdelen in de motor van een auto. Meer dan vijfhonderd jaar geleden werd wrijving door Leonardo da Vinci voor het eerst systematisch bestudeerd. Da Vinci’s belangrijkste resultaat wordt tot op de dag van vandaag door vele ingenieurs gebruikt: de wrijvingskracht is evenredig met de normaalkracht. Dat wil zeggen: wanneer je objecten twee keer zo hard samendrukt, verdubbelt ook de wrijvingskracht. Onderzoekers van het UvA-Institute of Physics, het UvA-Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences, het MicroTribology Center µTC in Freiburg en het Karlsruhe Institute of Technology hebben, aan de hand van moleculen die onder druk oplichten, deze evenredigheid tussen wrijving en normaalkracht nader bestudeerd.

Oppervlakteruwheid

Bij het begrijpen van wrijving speelt het begrip oppervlakteruwheid een doorslaggevende rol. Op moleculaire schaal zijn bijna alle oppervlakken ruw: van dichtbij bekeken ziet zo’n oppervlak eruit als een berglandschap. Wrijving ontstaat alleen op die plekken waar de hoogste bergjes op de twee wrijvende oppervlakken elkaar raken.

Om dit proces in detail te bestuderen, ontwierpen de onderzoekers een modelexperiment waarin een ruw boloppervlak in contact werd gebracht met een vlak glasoppervlak. Het bijzondere aan dit experiment is dat aan het glasoppervlak een enkele laag contactgevoelige kleurstofmoleculen bevestigd was. Deze moleculen zenden fluorescent licht uit wanneer ze onder druk komen te staan. Hierdoor konden de onderzoekers heel precies in kaart brengen waar het ruwe boloppervlak en het vlakke glasoppervlak elkaar raakten (zie afbeelding in de sidebar), en hoe deze contacten veranderden als er harder werd gedrukt.

Bij extra normaalkracht (druk) worden de ‘bergtoppen’ op het boloppervlak verder platgedrukt, waardoor een groter contactoppervlak tussen bol en glasplaat ontstaat. De gangbare interpretatie van Da Vinci’s evenredigheid tussen wrijving en normaalkracht is dat beide krachten evenredig zijn aan dit contactoppervlak: twee keer zo hard drukken zorgt voor het dubbele contactoppervlak en daarmee voor tweemaal zoveel wrijving. Er zijn meerdere theorieën die de relatie tussen contactoppervlak en normaalkracht voorspellen, maar deze theorieën konden tot nu toe niet met hoge precisie worden getest. De onderzoekers laten nu zien dat de bestaande theorieën tekortschieten: de wrijvingskracht is weliswaar evenredig met het contactoppervlak, maar dit oppervlak blijkt niet evenredig met de normaalkracht.

Nieuwe modellen

De resultaten van het onderzoek tonen aan dat een beter begrip van wrijving aanpassingen in de bestaande modellen vereist, om zo de gemeten relatie tussen contactoppervlak en normaalkracht te reproduceren. De resultaten zijn deze week gepubliceerd in Nature Communications.

Referentie

Molecular probes reveal deviations from Amontons’ law in multi-asperity frictional contacts, B. Weber, T. Suhina, T. Junge, L. Pastewka, A. M. Brouwer en D. Bonn, Nature Communications volume 9, Article number: 888 (2018).