Giới khoa học ngỡ ngàng: Cơ chế vật lý của tiếng rít giày thể thao phức tạp hơn vạn lần ta tưởng
Sự thật đằng sau nghiên cứu chà sát cao su lên kính để tạo ra giai điệu mang tính biểu tượng “Imperial March” trong loạt phim Star Wars là gì?
Theo tạp chí công nghệ Ars Technica của Mỹ, tiếng rít đặc trưng của giày bóng rổ trên mặt sân đã trở thành một phần quen thuộc của các trận đấu chuyên nghiệp.
Tương tự, tiếng lốp xe rít trên mặt đường cũng là hiện tượng phổ biến mà hầu như ai cũng từng nghe thấy.
Tuy nhiên, đằng sau những âm thanh tưởng như rất đời thường ấy lại là một cơ chế vật lý phức tạp hơn nhiều so với những gì giới khoa học từng hình dung.
Một nghiên cứu mới cho thấy tần số của tiếng rít không đơn thuần do lực ma sát tạo ra, mà còn được quyết định bởi hình học của các hoa văn trên bề mặt tiếp xúc.
Khám phá này không chỉ giúp giải thích nguồn gốc của tiếng giày thể thao phát ra trên sân bóng mà còn mở ra hướng phát triển các vật liệu ma sát có thể điều chỉnh theo nhu cầu, đồng thời cung cấp một mô hình mới để nghiên cứu cơ học của động đất.
Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu còn chứng minh phát hiện của mình bằng cách chế tạo các khối cao su có khả năng phát giai điệu mang tính biểu tượng “Imperial March” trong loạt phim Star Wars chỉ bằng cách trượt chúng trên một tấm kính.
Từ giấc mơ điều khiển ma sát đến các siêu vật liệu tương lai
Theo đồng tác giả Katia Bertoldi, nhà nghiên cứu tại Đại học Harvard, khả năng điều chỉnh đặc tính ma sát theo thời gian thực từ lâu đã là mục tiêu mà giới kỹ sư theo đuổi.
Ông cho biết: “Điều chỉnh đặc tính ma sát theo thời gian thực từ lâu đã là một giấc mơ của giới kỹ sư. Phát hiện mới này về cách hình học bề mặt chi phối các xung trượt mở đường cho các siêu vật liệu ma sát có thể điều chỉnh, có khả năng chuyển đổi theo yêu cầu giữa trạng thái ma sát thấp và độ bám cao”.
Theo nhóm tác giả, ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ dừng lại ở lĩnh vực vật liệu. Các động lực học quan sát được trong thí nghiệm có nhiều điểm tương đồng với các đứt gãy kiến tạo của Trái Đất.
Vì vậy, kết quả công bố còn mang đến cho giới khoa học một mô hình mới để nghiên cứu cơ học của động đất.
Ma sát là một trong những chủ đề được nghiên cứu lâu đời nhất trong vật lý.
Thiên tài toàn năng người Ý Leonardo da Vinci thường được xem là người đầu tiên tiến hành nghiên cứu có hệ thống về hiện tượng này vào cuối thế kỷ XV, đặt nền móng cho ngành tribology (khoa học ma sát) ngày nay.
Trong các ghi chép của mình, Da Vinci mô tả cách sử dụng các quả nặng và ròng rọc để kéo các hàng khối vật liệu nhằm nghiên cứu lực ma sát.
Ông cũng khảo sát ma sát xuất hiện trong ren vít, bánh xe và trục quay. Điều đáng chú ý là phương pháp thí nghiệm này vẫn được các nhà khoa học hiện đại sử dụng.
Nghiên cứu mới tiếp tục kế thừa cách tiếp cận đó, nhưng tập trung vào một bài toán mà các mô hình truyền thống chưa giải thích đầy đủ, đó là điều gì xảy ra khi một vật liệu mềm trượt trên một bề mặt cứng.
Vì sao giày thể thao phát ra tiếng rít?
Trong nhiều năm, tiếng rít của giày trên sàn thi đấu thường được giải thích bằng hiện tượng stick-slip (dính - trượt). Đây là quá trình hai bề mặt liên tục chuyển đổi giữa trạng thái bám dính và trượt lên nhau, tạo nên dao động và phát ra âm thanh.
Tuy nhiên, mô hình này phù hợp hơn với những hệ gồm hai vật thể cứng, chẳng hạn như bản lề cửa phát ra tiếng kêu.
Đối với giày thể thao, bài toán trở nên phức tạp hơn bởi bề mặt tiếp xúc gồm một vật liệu cứng là sàn nhà thi đấu và một vật liệu mềm là đế giày.
Chính sự khác biệt này khiến tác giả Bertoldi cùng các cộng sự muốn tìm hiểu đầy đủ hơn về động lực học của các bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu mềm và vật liệu cứng.
Để thực hiện nghiên cứu, nhóm sử dụng một đôi giày bóng rổ thương mại Nike CU3503-100 và cho trượt trên một tấm kính nhẵn, khô.
Trong quá trình này, các nhà khoa học đồng thời ghi lại âm thanh và hình ảnh diễn ra tại bề mặt tiếp xúc giữa đế giày và tấm kính.
Kết quả cho thấy trên bề mặt xuất hiện các xung mở lan truyền theo hướng chuyển động nhưng không đồng đều. Các xung này tạo nên những vùng tách cục bộ tạm thời giữa đế giày và mặt kính với tốc độ siêu âm.
Quan trọng hơn, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng tiếng rít hoàn toàn không phải hiện tượng ngẫu nhiên. Tần số của âm thanh được quyết định trực tiếp bởi tốc độ lặp lại của các xung này.
Để xác minh kết quả, nhóm nghiên cứu chế tạo hai khối cao su silicone.
Một mẫu có bề mặt hoàn toàn phẳng, trong khi mẫu còn lại được thiết kế với các gờ mỏng song song tương tự hoa văn trên đế giày thể thao.
Khi cả hai mẫu được cho trượt trên cùng một tấm kính khô, chúng đều tạo ra các xung dọc theo bề mặt ma sát nếu tốc độ trượt vượt quá ngưỡng 0,3 mét/giây.
Trong một số trường hợp, các nhà khoa học còn ghi nhận hiện tượng phóng điện triboelectric, những tia lửa điện cực nhỏ sinh ra do ma sát.
Các tia phóng điện này có thể kích hoạt các xung, khiến tiếng rít như được bổ sung thêm một “tia lửa”theo đúng nghĩa đen.
Bên cạnh đó, thí nghiệm cũng cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai thiết kế bề mặt.
Các khối cao su phẳng tạo ra những xung hỗn loạn, tương tự tiếng ồn băng rộng với âm thanh dạng “vù vù”. Biên độ trượt dao động mạnh theo cả thời gian lẫn vị trí trên bề mặt.
Ngược lại, các khối có gờ tạo ra các xung có cao độ tập trung hơn, đồng thời giảm đáng kể các dao động lớn, giúp biên độ trượt và tần số trở nên ổn định hơn.
Đây là kết quả trái ngược với dự đoán của mô hình lò xo, khối truyền thống. Theo mô hình này, tần số của hiện tượng dính - trượt sẽ tăng khi tốc độ trượt tăng. Tuy nhiên, các thí nghiệm thực tế lại cho thấy dù tốc độ trượt tăng lên, các tần số cơ bản vẫn giữ nguyên.
Điều đó cho thấy chính hình học của bề mặt tiếp xúc mới là yếu tố đóng vai trò quyết định đối với tần số của tiếng rít.
Khi vật lý ma sát có thể chơi nhạc của loạt phim Star Wars
Để minh họa cho phát hiện của mình, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các khối cao su có chiều cao khác nhau nhằm tạo ra những tần số xác định.
Khi lần lượt cho các khối này trượt trên bề mặt kính, chúng phát ra các nốt nhạc đủ để trình diễn bản giai điệu “Imperial March” nổi tiếng trong Star Wars.
Theo đồng tác giả Gabriele Albertini thuộc Đại học Nottingham thuộc Vương quốc Anh: “Chúng tôi rất bất ngờ khi những đặc điểm bề mặt cực nhỏ lại có thể tái tổ chức chuyển động ma sát mạnh mẽ đến như vậy”.
Ngoài ý nghĩa trong lĩnh vực khoa học ma sát, nhóm nghiên cứu cho rằng kết quả còn giúp kết nối hai lĩnh vực vốn được xem là tách biệt: khoa học ma sát của vật liệu mềm và động lực học của động đất.
Đồng tác giả Shmuel Rubinstein, nhà vật lý tại Đại học Hebrew tại Israel, nhận định: “Những kết quả này tạo cầu nối giữa hai lĩnh vực vốn từ lâu được xem là tách biệt: khoa học ma sát của vật liệu mềm và động lực học của động đất”.
Ông cho biết thêm: “Ma sát của vật liệu mềm thường được xem là diễn ra chậm, nhưng chúng tôi cho thấy tiếng rít của một đôi giày thể thao có thể lan truyền nhanh bằng, thậm chí nhanh hơn, sự đứt gãy của một đới đứt gãy địa chất, và các nguyên lý vật lý chi phối hai hiện tượng này có mức độ tương đồng đáng kinh ngạc”.
Như vậy, khám phá này cho thấy một hiện tượng rất quen thuộc trong đời sống hằng ngày của con người, đồng thời phản ánh những quy luật vật lý đang diễn ra ở quy mô địa chất.
Có thể nói rằng, khám phá này đã mở ra triển vọng phát triển các siêu vật liệu ma sát có thể điều chỉnh linh hoạt, phục vụ nhiều ứng dụng trong kỹ thuật và khoa học trong tương lai.
* Nguồn: Tạp chí Ars Technica.