Охлаждающее трение: необычное явление «охлаждает» роботов без внешней энергии

Механика

Редакция сайта «Технологические инновации» — 1 сентября 2025 г.

Это необычно, но скопление холодных частиц может сосуществовать в среде горячих частиц. Слева: Роботы бегут, вид сверху; белые точки указывают направление движения. Справа: Частицы окрашены в зависимости от скорости: быстрые (горячие) частицы — красные, медленные (холодные) — синие. [Изображение: HHU/Marco Musacchio]

Понимание трения

Если вы когда-нибудь потирали руки зимой или наблюдали за раскаленными тормозными дисками гоночного автомобиля перед поворотом, то знаете, что трение генерирует тепло. Следовательно, трение потребляет энергию.

И это полезно по многим причинам: достаточно вспомнить трение между шинами автомобиля и дорогой или подошвами ваших ботинок о землю — без трения ни вы, ни автомобиль не сдвинулись бы с места. Фактически, два твёрдых тела, лежащие одно на другом, не сдвинутся даже при небольшом наклоне, поскольку их удерживает вместе сила трения покоя. Только при достижении критического угла наклона тело, находящееся сверху, начинает скользить, когда сила трения покоя преодолевается силой тяжести.

Физики называют это «сухим» (без смазки) трением покоя, также известным как кулоновское трение. Они также говорят, что покоящийся объект «холодный», а движущаяся частица «горячая». Таким образом, трение покоя приводит к охлаждению активных частиц.

Александр Антонов и его коллеги из университетов Дюссельдорфа (Германия) и Ла Сапиенца (Италия) нашли способ обратить эту динамику вспять, используя трение для охлаждения объектов. Это достигается за счёт прерывания динамики самоподдерживающимся образом, то есть охлаждение происходит само по себе, без внешнего теплоотвода.

Они протестировали свой новый механизм с использованием небольших роботов : это явление настолько эффективно устраняет кинетическую энергию роботов после взаимного столкновения, что они больше не могут двигаться.

Автономное охлаждение

Влияние кулоновского трения на движение важно во многих практических ситуациях. Например, когда необходимо разгрузить силос, чтобы высыпать хранящееся внутри зерно, наиболее эффективным способом сделать это является его перемешивание. Этот метод работает более или менее хорошо, поскольку создаваемая движущая сила, или «активность», не постоянна, а колеблется.

Это означает, что частицы совершают сложное прерывистое движение, при котором частица движется до тех пор, пока случайная неблагоприятная флуктуация не замедлит её, а затем остановит из-за трения покоя. Но вскоре тряска снова делает своё дело, и частица снова начинает двигаться, когда на неё воздействует следующая благоприятная флуктуация.

Группа ученых изучала этот механизм с помощью роевой робототехники — установки, в которой очень простые маленькие роботы динамически взаимодействуют, создавая своего рода активную материю , которая позволяет им имитировать многие вещи в реальном мире, включая зерно в силосе.

Речь идет о процессах охлаждения, которые широко распространены в природе и обычно возникают при внешнем контакте с холодной средой. Согласно законам термодинамики, конечная температура системы определяется температурой окружающей среды.

Однако группа обнаружила явление спонтанного внутреннего охлаждения, которое происходит без внешнего контакта — автономное охлаждение.

Этот процесс охлаждения может найти практическое применение не только в роботах, но и в инертных частицах. [Изображение: Александр П. Антонов и др. - 10.1038/s41467-025-62626-9]

Когда горячее соседствует с холодным

В демонстрационном эксперименте сотни мини-роботов, напечатанных на 3D-принтере, разбегались по воле случая, приводимые в движение вертикальной вибрирующей пластиной. Во время движения роботы в рое, конечно же, постоянно сталкивались друг с другом.

Учитывая высокую плотность частиц (роботов) и низкую движущую силу, близкую к порогу преодоления кулоновского трения, это трение покоя преобладало при столкновениях, заставляя частицы многократно останавливаться. Со временем это приводило к образованию скоплений роботов, которые больше не двигались. Другими словами, роботы «холодели», как если бы энергия, поступавшая в систему через сотрясение пластины, была сведена на нет.

Другими словами, для охлаждения системы не требуется никакого внешнего вмешательства — роботы охлаждают себя сами посредством столкновений или, другими словами, трения.

«Интересно, что в крупных, динамически меняющихся скоплениях возникает смешанная конфигурация, в которой холодные области сосуществуют с тёплыми. В равновесии это невозможно, поскольку такие разницы температур немедленно нейтрализуются при столкновениях», — добавил профессор Хартмут Лоуэн.

Чтобы понять это, команда проводила компьютерное моделирование, пока не нашла модели поведения, способные воспроизвести эксперимент. «Мы достигли того, о чём мечтают многие физики-теоретики: поняли физический механизм экспериментального явления и затем воспроизвели его с помощью численного компьютерного моделирования», — сказал Антонов.

«Этот неожиданный охлаждающий эффект может быть использован в будущем для автоматического управления целыми армиями роботов или коллективным поведением сыпучих материалов без внешнего вмешательства», — заключил профессор Лоуэн.

Другие новости о:

Больше тем