Het fenomeen wrijving, wanneer bestudeerd op nanoschaal, is complexer dan eerder werd gedacht. Wanneer er wrijving optreedt, een object schuift niet eenvoudig zijn oppervlak over dat van een ander, het maakt ook een lichte op- en neergaande beweging. Deze bevinding voltooit een eeuwenoude theorie van wrijving die dateert uit 1699 en legt een hiaat bloot in het hedendaagse denken over wrijving. Het fenomeen - de zogenaamde lift-up hysteresis - werd beschreven in een recente studie door onderzoekers Farid Al-Bender, Kris De Moerlooze en Paul Vanherck van de Productie Engineering, Afdeling Machineontwerp en Automatisering van het Departement Werktuigbouwkunde van de KU Leuven.

Wrijving is de kracht die optreedt wanneer een oppervlak over een ander glijdt, of wanneer een object door een vloeistof of een gas beweegt. Tot nu, de theorie die het fenomeen wrijving verklaart was gefragmenteerd. Franse natuurkundigen Guillaume Amontons en Charles August Coulomb, werkzaam in de late 17e en midden 18e eeuw, respectievelijk, trachtte een verklaring te vinden voor wrijvingsweerstand. Wrijvingsweerstand verklaart, bijvoorbeeld, waarom een ​​zware kast over een vloer laten glijden veel moeilijker is dan een stoel. Naarmate het gewicht van een object toeneemt, zo ook de weerstand. De vloer en de onderkant van de kast bewegen van links naar rechts tegen elkaar of omgekeerd. Maar tegelijkertijd rust het gewicht van de kast loodrecht op de bodem van de kast en de vloer. Deze normale belasting - 'normaal' in de zin van loodrecht op de schakelrichting - duwt de twee oppervlakken naar elkaar toe en veroorzaakt weerstand als er wrijving optreedt. Als we de stoel en de kast op wielen zetten en ze omhoog duwen, er is meer kracht nodig om de kast te verplaatsen dan om de stoel te verplaatsen.

Met behulp van deze redenering, Amontons en Coulomb verklaarden wrijving door de ruwheid van beide oppervlakken:de (soms microscopisch kleine) hoeken en gaten van het ene oppervlak - oneffenheden - die zich op die van een ander nestelen wanneer het ene object op het andere rust. Wanneer er wrijving optreedt, deze oneffenheden spelen de rol van hellingen. Ze zijn gemaakt om te klimmen, dalen en vervormen zodat de beweging kan doorgaan, vergelijkbaar met wat er gebeurt als de haren van twee borstels tegen elkaar wrijven. Deze theorie wordt soms de 'bump-hypothese' genoemd omdat het ene oppervlak met een op-en-neergaande beweging over de hobbels van een ander schuurt.

In de 20e eeuw werd duidelijk dat de bestaande theorie niet volledig overeenkwam met de wetten van de thermodynamica, de wetenschap die de omzetting van warmte in mechanische energie bestudeert of omgekeerd. specifiek, De hobbelhypothese van Amontons en Coulomb kon het energieverlies als gevolg van wrijving niet verklaren. In hun theorie de som van de energie die nodig is om 'bergop' en vervolgens 'bergafwaarts' te gaan is nul. Tegelijkertijd, we weten dat zuivere oppervlakken een elektrochemische neiging hebben om aan elkaar te kleven. Dit wordt veroorzaakt doordat oneffenheden aan elkaar worden geplakt in een fenomeen dat adhesie wordt genoemd. Een typisch voorbeeld is plakband. Wanneer er beweging optreedt, alle banden tussen de oneffenheden van de twee oppervlakken zijn verbroken en elders hervormd. Bijgevolg, factoren zoals snelheid en acceleratie beïnvloeden wrijving. Met de opkomst van de nieuwere adhesietheorie, De theorie van Amontons en Coulomb raakte geleidelijk in de vergetelheid. Maar de moderne adhesietheorie van wrijving bleek zijn eigen inconsistenties te hebben.

Met meettechnieken op micro- en nanoschaal kunnen onderzoekers nu wrijving op atomair niveau bestuderen. Professor Farid Al-Bender en zijn team voerden een experiment uit met uiterst nauwkeurige wrijvings- en verplaatsingssensoren en testten verschillende materialen (papier, kunststof en messing) met verschillende bewegingssnelheden. De resultaten brengen wrijvingskrachtmetingen in kaart die consistent zijn met die voorspeld door de adhesietheorie. Maar tot nu toe, 'normale beweging' – beweging loodrecht op de wrijvende beweging – was nog niet gemeten. Terwijl normale beweging slechts 5 – 50 nanometer – miljardsten van een meter bedraagt ​​– werd deze systematische op-en-neerbeweging eerder over het hoofd gezien. Metingen van deze normale beweging, zeggen de KU Leuven-onderzoekers, bevestigt de eeuwenoude hypothese van oneffenheidsvervorming en helling, ontwikkeld door Amontons en Coulomb, en schetst een complexer beeld van het fenomeen wrijving, omdat er nu rekening moet worden gehouden met normale beweging bij het ontwikkelen van een uitgebreide theorie van wrijving. De resultaten van Al-Bender en zijn team suggereren dat wrijving wordt veroorzaakt door een interactie van zowel adhesie aan de ene kant als vervorming van de oneffenheid en helling aan de andere kant.

Tribologie - de wetenschap van wrijving, smering en slijtage – is een belangrijk gebied van machinebouw. Tribologisch onderzoek kan helpen de economische en milieukosten van productie en gebruik te verlagen. Als de interactie tussen bewegende oppervlakken kan worden gecontroleerd, tijd- en energie-input kan worden geoptimaliseerd en slijtage, storingen en afval kunnen worden verminderd. Tribologisch onderzoek kan ook bijdragen aan de miniaturisering van producten, zoals computercomponenten. Aan de KU Leuven, onderzoek in de tribologie is nauw verbonden met onderzoek in de werktuigbouwkunde, machine ontwerp, materiaalkunde en robotica.