Ο παρακάτω σύνδεσμος παραπέμπει στην πρόσφατη δημοσίευση του τακτικού μέλους της Ακαδημίας Αθηνών, κ. Άρη Ροζάκη, στο περιοδικό “Nature” (12 Μαρτίου 2025):
Δημοσίευση:
Sliding and healing of frictional interfaces that appear stationary (Ολίσθηση και επούλωση διεπιφανειών τριβής που εμφανίζονται ακίνητες)
Σύνδεσμος: https://www.nature.com/articles/s41586-025-08673-0
Ακολουθεί επίσης σύνδεσμος για το πρωτότυπο σχετικό Δελτίο Τύπου του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Καλιφορνίας (Caltech):
Δελτίο Τύπου:
“Everything Flows: Refining the Laws of friction in Caltech’s seismological wind tunnel”. (Πάντα ῥεῖ : Διευκρινίζοντας τους νόμους της τριβής στη σεισμοδυναμική αεροσήραγγα του Caltech).
Σύνδεσμος για το Δελτίο Τύπου: Caltech News
Παρακάτω παρατίθεται το Δελτίο Τύπου μεταφρασμένο στα ελληνικά καθώς και η μεταφρασμένη περίληψη του Άρθρου:
Α. Μεταφρασμένο κείμενο Δελτίου Τύπου:
Πάντα ῥεῖ : Διευκρινίζοντας τους νόμους της τριβής στη σεισμοδυναμική αεροσήραγγα του Caltech
Φανταστείτε ένα βαρύ βιβλίο που ακουμπά σε ένα τραπέζι. Αν προσπαθήσετε να σπρώξετε απαλά το βιβλίο κατά μήκος του τραπεζιού με την άκρη του δακτύλου σας, μπορεί αρχικά να φαίνεται ότι παραμένει ακίνητο – χρειάζεται πολύ μεγαλύτερη δύναμη για να αρχίσει να γλιστράει ορατά. Παρομοίως, αν αρχίσετε να γέρνετε αργά το τραπέζι προς τα πάνω, το βιβλίο εξακολουθεί να φαίνεται να παραμένει ακίνητο, κολλώντας στο τραπέζι μέσω τριβής μέχρι η κλίση του τραπεζιού να φτάσει σε κάποια κρίσιμη γωνία και το βιβλίο ξαφνικά να γλιστράει προς τα κάτω. Αυτή η μετάβαση από τη φαινομενική ακινησία στην ξαφνική κίνηση κάτω από μεγάλες δυνάμεις παρατηρείται στους σεισμούς και στις κατολισθήσεις.
Η τριβή μεταξύ δύο διεπιφανειών ολίσθησης ιστορικά έχει μοντελοποιηθεί με μια απλή έκφραση που ονομάζεται νόμος του Coulomb. Τώρα, ερευνητές του Caltech απέδειξαν ότι ο νόμος του Coulomb δεν επαρκεί για την περιγραφή της πραγματικότητας και ότι οι διεπιφάνειες που υπόκεινται σε διάτμηση και πίεση, αν και μπορεί να φαίνονται ακίνητες, στην πραγματικότητα πάντα ολισθαίνουν με ρυθμούς ανεπαίσθητους για το ανθρώπινο μάτι.
Οι νέες αυτές παρατηρήσεις, που αναφέρονται σε άρθρο που δημοσιεύεται online στις 12 Μαρτίου στο περιοδικό Nature, παρέχουν μια ακριβέστερη κατανόηση της μηχανικής των σεισμών και των κατολισθήσεων και έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη μηχανική των διεπιφανειών μεταξύ υλικών.
Το μοντέλο του Κουλόμπ μπορεί να φαίνεται διαισθητικό, αλλά, εδώ και δεκαετίες, οι ερευνητές που μελετούν τη μηχανική των πετρωμάτων και τα ρήγματα γνωρίζουν ότι μπορεί να μην είναι η πλήρης ιστορία. Αυτοί οι επιστήμονες εισήγαγαν πιο λεπτομερείς εξισώσεις, που ονομάζονται νόμοι τριβής ρυθμού και κατάστασης (Rate and state Laws), στους οποίους η τριβή εξαρτάται από τον ρυθμό ολίσθησης και τις εξελισσόμενες καταστάσεις των διεπιφανειών ολίσθησης. Οι νόμοι ρυθμού και κατάστασης προβλέπουν ότι δεν υπάρχει στατικός συντελεστής τριβής και ότι η διατμητική κίνηση συμβαίνει κάτω από όλες τις διατμητικές δυνάμεις – έτσι, για παράδειγμα, ακόμη και το παραμικρό σπρώξιμο ενός βαρέως βιβλίου με την άκρη του δακτύλου σας θα προκαλέσει την ολίσθηση του βιβλίου κατά κάποιο μικροσκοπικό, ανεπαίσθητο ποσό.
Στη νέα δημοσίευση, η ομάδα παρουσιάζει την πρώτη άμεση απόδειξη ότι η κίνηση συμβαίνει ακόμη και σε διατμητικές δυνάμεις χαμηλότερες από αυτές που συνεπάγεται ο φαινομενικός συντελεστής στατικής τριβής, επικυρώνοντας τους νόμους ρυθμού και κατάστασης. Σε εργαστηριακές μελέτες, η ομάδα χρησιμοποίησε μια οπτική μέθοδο μεγάλης ακρίβειας που ονομάζεται ψηφιακή συσχέτιση εικόνας (Digital Image Correlation-DIC) και μια κάμερα που εκπαιδεύτηκε σε δύο επιφάνειες σε επαφή. Προσδιόρισαν ότι, υπό διάτμηση, οι επιφάνειες γλιστρούσαν η μία πάνω στην άλλη με ρυθμό τόσο μικρό όσο 10-12 m/s ή 0,000000000001 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Με αυτόν τον ρυθμό, ένα κλάσμα ενός χιλιοστού ολίσθησης θα συσσωρευόταν σε ένα έτος.
Οι επιφάνειες επαφής ήταν κατασκευασμένες από ένα είδος πλαστικού που μιμείται τις διεπιφάνειες ολισθαίνοντος πετρώματος που ανταποκρίνονται στις διατμητικές δυνάμεις με ανάλογους τρόπους. Η μελέτη αυτή επεκτείνει την πρακτική του Caltech να αναδημιουργεί και να μελετά υποκατάστατες σεισμικές διεργασίες στο εργαστήριο, έρευνα που επέτρεψε η 30ετής «σεισμολογική αεροσήραγγα» του Caltech, μια εγκατάσταση στα Μεταπτυχιακά Αεροδιαστημικά Εργαστήρια (GALCIT) που δημιουργήθηκε από τον Άρη Ροζάκη (πρώην διευθυντή του GALCIT) και τον σεισμολόγο Hiroo Kanamori, ομότιμο καθηγητή Γεωφυσικής John E. και Hazel S. Smits και πρώην διευθυντή του Σεισμολογικού Εργαστηρίου του Caltech. Η εγκατάσταση είναι αφιερωμένη στη δημιουργία πειραματικών αναλόγων των φυσικών διεργασιών που εμπλέκονται στη διάρρηξη των σεισμών.
«Σύμφωνα με τα λόγια του αρχαίου Έλληνα φυσικού φιλοσόφου Ηράκλειτου, όλα ρέουν (πάντα ῥεῖ ), όλα κινούνται, τίποτα δεν είναι ποτέ στάσιμο», λέει ο Ροζάκης. “Οι ειδικοί υποψιάζονταν ότι δεν υπάρχει στατικός συντελεστής τριβής, αλλά τώρα το αποδείξαμε περίτρανα χρησιμοποιώντας οπτικές μικρομετρήσεις πρωτοφανούς ακρίβειας απευθείας στη διεπιφάνεια για να επικυρώσουμε τους προηγμένους νόμους τριβής και να προωθήσουμε τη χρήση τους σε άλλους τομείς”.
Επιπλέον, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι όταν δύο αντικείμενα κρατούνται σε επαφή για μεγάλο χρονικό διάστημα, που ονομάζεται «χρόνος κράτησης», τείνουν να «κολλάνε» μεταξύ τους περισσότερο απ’ ό,τι αν είχαν μόλις έρθει σε επαφή. Αυτή η εξελισσόμενη προσκόλληση είναι ένα φαινόμενο που ονομάζεται «επούλωση», κατά το οποίο οι μικροσκοπικές περιοχές επαφής ενισχύονται τοπικά και αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου, καθιστώντας τη διεπιφάνεια πιο ανθεκτική στην ολίσθηση. Στην εργασία, η ομάδα ποσοτικοποίησε επίσης την επούλωση μετρώντας πώς επιβραδύνει τη μικροσκοπική ολίσθηση που συμβαίνει κάτω από μικρές δυνάμεις.
«Κάποιος μπορεί να αναρωτηθεί γιατί η μέτρηση τέτοιων μικροσκοπικών ρυθμών ολίσθησης είναι σημαντική- άλλωστε, είναι κοντά στο μηδέν, όπως θα προέβλεπε η έννοια του συντελεστή στατικής τριβής», λέει η Lapusta. “Η σημασία δεν έγκειται μόνο στην επικύρωση των θεωριών ρυθμού και καταστατικής τριβής, αλλά και στην ποσοτικοποίηση της επούλωσης της διεπιφάνειας. Οι νόμοι της τριβής ρυθμού και κατάστασης προβλέπουν ότι η επούλωση θα πρέπει να εκδηλώνεται με τη μείωση των ρυθμών ολίσθησης, κάτι που είναι ακριβώς αυτό που μετράμε, επιτρέποντάς μας να ποσοτικοποιήσουμε την επούλωση. Αυτό, με τη σειρά του, μας επιτρέπει να προβλέψουμε πώς η διεπιφάνεια θα αντισταθεί σε ένα (επιπρόσθετο) γεγονός ολίσθησης, όπως ένας σεισμος που διαδίδεται κατά μήκος ενός ρήγματος”.
Πράγματι, η ομάδα διαπίστωσε ότι η τριβή μεταξύ των διεπιφανειών κατά τη διάρκεια της ταχείας ολίσθησης θα ήταν σημαντικά μεγαλύτερη -περίπου 20 τοις εκατό μεγαλύτερη- για διεπιφάνειες που βρίσκονταν σε επαφή για ένα χρόνο σε σχέση με πέντε λεπτά, για παράδειγμα.
«Πολλοί μοντελοποιητές σεισμών και κατολισθήσεων εξακολουθούν να χρησιμοποιούν έναν απλούστερο νόμο τριβής, ο οποίος δεν ενσωματώνει τα αποτελέσματα της επούλωσης», λέει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης Krittanon (Pond) Sirorattanakul (PhD ’24), που τώρα είναι ερευνητής στη Chevron. «Ελπίζουμε ότι η εργασία μας θα ενθαρρύνει την κοινότητα να αναγνωρίσει τη σημασία της επούλωσης σε αυτές τις μελέτες».
Εκτός από τη δυνατότητα καλύτερης μοντελοποίησης των σεισμών και των ρηγμάτων, τα ευρήματα έχουν σημαντικές επιπτώσεις στο σχεδιασμό και τον έλεγχο των πειραμάτων τριβής. «Η ομάδα μας είχε κατά καιρούς προβλήματα με την αναπαραγωγιμότητα των σεισμικών φαινομένων στο εργαστήριο», εξηγεί ο Ροζάκης. “Τώρα ξέρουμε ότι αν στήσετε το πείραμά σας και στη συνέχεια κάνετε ένα διάλειμμα για φαγητό (η καφέ), αυτές οι επιφάνειες επουλώνονται κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου και τα αποτελέσματα των σεισμικών διαρρήξεων θα είναι σημαντικά διαφορετικά!”
Η εργασία έχει τίτλο «Ολίσθηση και επούλωση διεπιφανειών τριβής που φαίνονται ακίνητες». Εκτός από τους Sirorattanakul, Lapusta και Ροζάκη, συν-συγγραφείς είναι επίσης η πρώην μεταπτυχιακή φοιτήτρια Stacy Larochelle (PhD ’22), τώρα μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Lamont-Doherty Earth Observatory του Πανεπιστημίου Columbia, και ο Vito Rubino, πρώην ερευνητής αεροδιαστημικής στο Caltech, τώρα αναπληρωτής καθηγητής στην École Centrale Nantes της Γαλλίας, ο οποίος είναι μακροχρόνιος συνεργάτης των Ροζάκη και Lapusta. Η χρηματοδότηση δόθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF)-IUCRC Center forGeomechanics and Mitigation of Geohazards (GMG) στο Caltech, το NSF και το US Geological Survey.
Συντάχθηκε από την Lori Dajose.
Β. Μεταφρασμένη περίληψη του Άρθρου στο περιοδικό Nature:
Ολίσθηση και επούλωση διεπιφανειών τριβής που εμφανίζονται ακίνητες
Διεπιφάνειες τριβής συναντώνται σε συστήματα που κυμαίνονται από βιολογικές αρθρώσεις μέχρι σεισμικά ρήγματα. Το πότε και πώς ολισθαίνουν αυτές οι διεπιφάνειες αποτελεί θεμελιώδες πρόβλημα στις γεωεπιστήμες και τη μηχανική των υλικών. Πιστεύεται ότι υπάρχει μια οριακή διατμητική δύναμη, που ονομάζεται στατική τριβή, κάτω από την οποία η διεπιφάνεια είναι ακίνητη, παρά το γεγονός ότι πολλές θεωρητικές μελέτες υποδηλώνουν ότι η έννοια αυτή είναι ξεπερασμένη. Αντίθετα, οι θεωρίες «τριβής ρυθμού και κατάστασης» (Rate and State Theories of Friction) προβλέπουν ότι οι διεπιφάνειες είναι πάντα ολισθαίνουσες, αλλά αυτό το χαρακτηριστικό θεωρείται συχνά ένα προβληματικό τεχνούργημα που απαιτεί τροποποιήσεις. Εδώ δείχνουμε ότι οι ονομαστικά ακίνητες διεπιφάνειες που υποβάλλονται σε σταθερά διατμητικά και θλιπτικά φορτία, με μια κινητήρια δύναμη που είναι σημαντικά χαμηλότερη από την κλασικά ορισμένη «στατική τριβή» για την οποία είναι γνωστό ότι εμφανίζεται ολίσθηση, ολισθαίνουν , αλλά με φθίνοντα μικρούς ρυθμούς έως και 10-12 m/s. Οι ιδιαίτερα ακριβείς μικρομετρήσεις μας που γίνονται απευθείας στη διεπιφάνεια καθίστανται δυνατές με τη συσχέτιση ψηφιακών εικόνων. Η συμπεριφορά αυτή έρχεται σε αντίθεση με τα κλασικά μοντέλα τριβής, αλλά επιβεβαιώνει την πρόβλεψη της θεωρίας τριβής «ρυθμού και κατάστασης». Οι μειούμενοι ρυθμοί ολίσθησης των ονομαστικά σταθερών διεπιφανειών, αντανακλούν την επούλωση της διεπιφάνειας, η οποία θα εκδηλωνόταν με υψηλότερη μέγιστη τριβή σε μεταγενέστερα ( και περισσότερο δυναμικά) γεγονότα ολίσθησης, όπως οι σεισμοί και οι κατολισθήσεις, τροποποιώντας σημαντικά την δημιουργία και την διάδοση τους και, ως εκ τούτου, την επικινδυνότητά τους.