Джанлука Рошчоли из Массачусетского технологического института и его коллеги провели комплексное изучение взаимодействия стальных лезвий из одноразовых станков для бритья с человеческими волосами чтобы определить, какие факторы играют наибольшую роль в разрушении острия. Сначала физики изучили объекты своего исследования в нетронутом виде на электронном микроскопе. Ученые обнаружили, что на лезвиях даже нового станка для бритья много мельчайших шероховатостей, размер которых не превышал 5 микрометров (средний диаметр человеческого волоса — 100 микрометров). Также исследователи изучили однородность стали, из которой были сделаны лезвия, и продемонстрировали, что она обладает достаточно сильной гранулированностью. Все это пригодилось физикам на следующих этапах исследования.
Затем ученые пронаблюдали за изменением состояния лезвия после того как им побрились 10 и 25 раз, и обнаружили, что сначала по лезвию из исходных неровностей начинают идти трещины, которые затем приводят к сколам острия и в конечном счете к его затуплению. Однако физикам все еще не было ясно, какие именно процессы провоцируют формирование трещин, возникла необходимость пронаблюдать за процессом в реальном времени. Для этого исследователи создали установку, позволяющую с помощью электронного микроскопа непрерывно наблюдать за процессом срезания нескольких закрепленных на подставке волос и регулировать угол наклона лезвия. С ее помощью ученые обнаружили, что самые крупные трещины и выемки в лезвии возникали в областях, где сталь соприкасалась с самым краем волоса. Также оказалось, что с увеличением угла наклона лезвия к волосу относительно перпендикулярного положения увеличивался и наносимый острию урон.
Тогда физики решили продолжить исследование с помощью моделирования происходящих с лезвием процессов методом конечных элементов. Воздействие волоса они симулировали с помощью наложения на небольшую область лезвия постоянной силы, величину которой авторы предварительно измерили в опыте. При этом на виртуальном лезвии искусственно создали выемки, которые были призваны воссоздать шероховатости на остриях новых бритвенных станков. Такая модель позволила авторам варьировать как угол, с которым лезвие давило на волос, так и местоположение самого волоса. Результаты моделирования совпали с результатами описанных выше опытов: наибольшее напряжение лезвие испытывало именно в нижних точках выемок на лезвии, причем оно существенно увеличивалось для выемки, на которую давил самый край волоса. Увеличение углов, под которыми волос воздействовал на лезвие, тоже приводило к увеличению напряжения.
Вспомнив о том, что сталь в лезвиях станка была крайне неоднородна, физики решили учесть это в моделировании и посмотреть что будет, если раздел между средами разной твердости окажется прямо на месте исходной шероховатости лезвия. Оказалось, что это сильнейшим образом влияет на выход энергии, идущей на разрушение лезвия, особенно если на эту шероховатость приходится самый край волоса. Симуляция показала, что если со стороны волоса окажется более мягкая сталь, то разрушение будет в разы заметнее, чем если бы трещина располагалась в однородной стали. Физики проверили, наблюдается ли такой эффект в реальных опытах, и правда обнаружили очень близкую к предсказаниям моделирования закономерность — в местах неоднородности разрушения были существенно заметнее.
Таким образом, физикам удалось найти три главных фактора, влияющих на степень разрушения лезвия: угол между острием и волосом, микротрещины и шероховатости стали вместе с их расположением относительно края волоса, а также однородность стали. Авторы отмечают, что в будущем это исследование может не только помочь производителям бритв улучшить свой продукт, но и положить начало обобщению обнаруженных закономерностей на другие задачи материаловедения.
«Вокруг Света. Украина» писал о том, почему комариные хоботки такие прочные. Части растений или тела насекомых, будь то жало комара или иглы кактуса и волоски крапивы, настолько крепкие, что, прокалывая кожу человека, не ломаются.
По материалам N +1
Читайте также:
Почему маленькие дети любят смотреть телевизор
Почему люди уединяются для секса
Почему водой из микроволновки нельзя нормально заварить чай
Почему животные едят медуз, в которых одна вода
