Una suela de zapatilla de baloncesto que se desliza sobre una pista de parquet, un dedo sobre un cristal, un freno de bicicleta...: numerosos fenómenos cotidianos producen un chirrido, debido a la fricción en la interfaz entre un material blando y uno rígido.
El mecanismo responsable de este chirrido no estaba completamente dilucidado, y para estudiarlo, investigadores llevaron a cabo varios estudios experimentales que permiten comprender cómo la fricción entre los dos materiales genera el ruido de chirrido.
Imagen de ilustración Pixabay
Un primer estudio se centró en un ejemplo sencillo: zapatillas de baloncesto comerciales deslizándose sobre una placa de vidrio lisa a una velocidad de aproximadamente 1 m/s. Para observar el fenómeno, un dispositivo acústico registra el sonido emitido, mientras que la interfaz entre la suela y el vidrio se visualiza mediante un sistema óptico y de imágenes ultrarrápidas.
El estudio puso de manifiesto la existencia de impulsos de apertura, es decir, separaciones temporales de la interfaz, que se propagan en la dirección del deslizamiento a unos 80 m/s, mucho más rápido que la velocidad de deslizamiento, con una frecuencia cercana a los 5000 Hz. Ahora bien, esta misma frecuencia aparece simultáneamente en el espectro del sonido registrado, en el ritmo de repetición de los impulsos. Lo que relaciona claramente el sonido del chirrido con la dinámica de los impulsos de apertura de la interfaz. Se observa un comportamiento similar al frotar un dedo sobre vidrio.
Para profundizar en el estudio de este mecanismo, el equipo realizó otra serie de experimentaciones con bloques de silicona de dimensiones bien definidas (40 × 40 × 20 mm), que hicieron deslizar sobre sustratos rígidos lisos, bajo una tensión normal y una fuerza de tracción controladas. Se observó el mismo fenómeno de propagación de impulsos de apertura, y las mediciones revelaron que estos impulsos se propagan a velocidades elevadas, comparables a la velocidad de las ondas de cizallamiento en el material blando (aproximadamente 22-24 m/s para la silicona utilizada).
Cuando la superficie de deslizamiento del bloque de silicona es plana, los impulsos están desordenados. Su dinámica compleja se traduce en una emisión acústica de banda ancha: un ruido sin frecuencia dominante. Pero cuando los investigadores crearon finas nervaduras paralelas, unas muescas, en la superficie de deslizamiento del bloque blando, observaron que los impulsos de apertura se confinan espacialmente y se propagan a lo largo de estas muescas.
Esquema de principio del montaje experimental diseñado para la visualización de ondas en la interfaz de fricción entre la suela del zapato y una placa sólida.
© V. Tournat Los impulsos ahora se generan de manera regular, con un ritmo constante, y las muescas actúan como guías de onda. El sonido del chirrido es claro y tonal. La geometría de las muescas tiene poca influencia sobre la frecuencia fundamental emitida, que depende en cambio de la altura del bloque de silicona.
El equipo fabricó así una serie de bloques acanalados que producían cada uno una nota diferente al deslizarse sobre vidrio. Se obtuvieron observaciones similares con otros materiales blandos, como un elastómero y un poliuretano termoplástico.
Estos resultados, más allá de explicar el mecanismo responsable del chirrido, podrían permitir controlarlo, ya sea para suprimirlo o para elegir su frecuencia, con fines de detección o diagnóstico. La estructuración de las superficies también abre nuevas vías para disminuir o modular la fricción mediante una gestión fina de la ruptura en la interfaz.
Por último, este estudio proporciona una nueva perspectiva experimental sobre la fricción y la ruptura entre dos materiales, susceptible de interesar a la investigación en geofísica y en dinámica de terremotos.
Representación esquemática de los fenómenos en juego en el experimento de chirrido cuando un sólido blando se desliza sobre una superficie rígida.
© V. Tournat CNRS INSIS