Bizarre ontdekking: wrijving op extreem hoge snelheid veroorzaakt minder schade

Onderzoekers van de TU Wien zijn tot een bizarre ontdekking gekomen: wrijving veroorzaakt normaal gesproken meer schade bij hoge snelheden. Gek genoeg is dat bij extreem hoge snelheden, vergelijkbaar met de mondingssnelheid van een vuurwapen, weer andersom. De hypermoderne supercomputer is nu zelfs in staat om deze complexe processen op het materiële oppervlak in kaart te brengen. Dit schrijft de TU Wien in een persbericht.

“Vroeger konden wrijving en slijtage alleen in experimenten worden onderzocht”, zegt Stefan Eder, researcher aan de TU Wien. “De supercomputers zijn zo krachtig geworden dat we de zeer complexe processen aan het materiële oppervlak kunnen modelleren.”

Stefan Eder en zijn team recreëren verschillende metaalverbindingen op de computer met een strikt regelmatige en foutloze rangschikking van atomen. Het gaat hier wel om een verbinding die veel dichter bij de werkelijkheid staat: een geometrisch gecompliceerde rangschikking van kleine kristallen die in verschillende richtingen worden gedraaid. “Dit is belangrijk omdat al deze defecten een beslissende invloed hebben op wrijving en slijtage”, zegt Eder. “Als we een perfect metaal op de computer zouden simuleren, zou het resultaat weinig met de realiteit te maken hebben.”

Schade aan de muren door verzakking? Digitale sensor van StabiAlert brengt op afstand scheuren in kaart

StabiAlert is een bedrijf uit Groningen dat door middel van sensoren nauwkeurig tilt- en trillingsmetingen uitvoert op plekken waar dat van cruciaal belang is.

Verrassende resultaten

Het onderzoeksteam berekende hoe de glijsnelheid de slijtage beïnvloedt: “Bij relatief lage snelheden, in de orde van tien of twintig meter per seconde, is de slijtage laag. Alleen de buitenste lagen veranderen, de onderliggende kristalstructuren blijven grotendeels intact”, zegt Eder .

Als je de snelheid opvoert naar 80-100 meter per seconde, neemt de slijtage toe – dat is te verwachten, er wordt dan immers meer energie per tijdseenheid aan het metaal overgedragen. “Dan kom je geleidelijk in een bereik waar het metaal zich gedraagt ​​als een stroperige vloeistof, vergelijkbaar met honing of pindakaas”, stelt Eder. Diepere lagen van het metaal worden meegetrokken in de richting van het passerende oppervlak, en de microstructuur in het metaal wordt volledig gereorganiseerd. De afzonderlijke korrels waaruit het materiaal bestaat, worden gedraaid, gebroken, in elkaar geschoven en tenslotte meegetrokken.

Het team ondervond echter een verrassing toen ze overgingen op nog hogere snelheden: boven zo’n 300 meter per seconde – wat ongeveer overeenkomt met de topsnelheid van vliegtuigen in de burgerluchtvaart – neemt de slijtage weer af. De microstructuur van het metaal net onder het oppervlak, dat bij gemiddelde snelheden volledig wordt vernietigd, blijft nu grotendeels weer intact.

Onbesproken effect

Meer gedetailleerde analyses van de computergegevens hebben nu duidelijk gemaakt hoe dit effect mogelijk is: bij extreem hoge snelheden genereert wrijving veel warmte – maar op een zeer ongelijke manier. Alleen individuele plekken op de oppervlakken van de twee metalen die tegen elkaar schuiven, zijn in contact, en deze kleine gebieden kunnen duizenden graden Celsius bereiken. Tussendoor is de temperatuur veel lager.

Hierdoor kunnen kleine delen van het oppervlak smelten en een fractie van een seconde later weer kristalliseren. De buitenste laag van het metaal wordt dus drastisch veranderd, maar dit is precies wat de diepere delen van het materiaal beschermt: alleen de buitenste lagen van het materiaal voelen de slijtage, de kristallijne structuren eronder veranderen slechts in geringe mate.

“Dit effect, dat tot nu toe nauwelijks is besproken, doet zich voor bij verschillende materialen”, zegt Eder. Overal waar wrijving optreedt bij hoge tot extreem hoge snelheden, zal het essentieel zijn om hier in de toekomst rekening mee te houden. Dit geldt bijvoorbeeld voor moderne, high-speed lagers en transmissies in E-mobility, of voor machines die oppervlakken slijpen. Het nu beter begrepen effect speelt ook een rol bij de stabiliteit van metalen bij een voertuigcrash of bij de impact van kleine deeltjes op hogesnelheidsvliegtuigen.