熟悉的吱吱聲

在籃球場，我們除了聽見籃球砸向地面的聲響，耳邊還常充斥著運動員的鞋子在拋光球場上發(fā)出的尖銳吱吱聲。這些熟悉的聲音源自鞋與地面發(fā)生的快速而微妙的動態(tài)過程，而這些過程肉眼不可見。

不只是鞋子在堅硬表面上滑動時會發(fā)出吱吱聲。在日常生活中，當軟、硬表面相互接觸時，如自行車剎車、橡膠輪胎摩擦地面，都會發(fā)出刺耳的吱吱聲聲。這種聲音為什么會出現(xiàn)？

現(xiàn)在，在發(fā)表在《自然》的一項研究中，一個國際研究團隊使用高速光學成像實驗研究了軟固體在剛性基底上快速滑動時的動力學。他們發(fā)現(xiàn)，這種吱吱聲源自一種此前未被觀察到的機制。

粘-滑摩擦

當一個軟固體（如橡膠）在一塊剛性基底（如玻璃）上滑動時，常常會發(fā)出的響亮吱吱聲。長期以來，這類聲音通常被歸因于一種被稱為粘-滑摩擦的運動，即兩表面在相互粘附與突然跳躍之間交替的過程。

然而，這一圖景卻無法解釋一些關(guān)鍵觀察：為何吱吱聲通常只在較高滑動速度下出現(xiàn)？為何細微的表面特征就能顯著增強或抑制它？更令人困惑的是，這種聲音還有明確的、來源不清的音高。

過去，受地震動力學研究的啟發(fā)，研究人員開始用數(shù)值與理論方法研究：當兩種材料的接觸面發(fā)生相對滑動時產(chǎn)生的快速滑移脈沖。在將接觸面簡化為一維模型后，有人提出：材料的不匹配會使滑移以脈沖形式傳播，其傳播速度接近較軟材料的剪切波速。

軟固體在剛性基底上滑動，代表了雙材料界面的一種極限情況。對于這類系統(tǒng)，對一維界面進行的數(shù)值模擬進一步預測：傳播速度處在特定聲速范圍內(nèi)的滑移脈沖，可以演化為“開口脈沖”（opening pulses）——一種快速、空間局域化的波，會沿著界面掃過，并在掃過時讓接觸面在局部短暫張開，造成完全的局部分離，從而使滑移以局部化方式發(fā)生。這種行為在后續(xù)的一些初步實驗中得到了證實。

二維界面的驗證

在新的研究中，研究人員通過實驗，研究了發(fā)生在軟固體-剛性固體二維界面上的動態(tài)過程是如何產(chǎn)生吱吱聲的。他們首先讓一雙市售籃球鞋以1米/秒的滑動速度在一塊光滑且干燥的玻璃板上滑過，并對接觸情況進行高速光學成像與同步的音頻測量。

具體來說，他們利用的是全內(nèi)反射來可視化鞋底與玻璃板之間的摩擦界面。在實驗過程中，他們以一定角度將光注入玻璃，使光被困在玻璃板內(nèi)部（這種現(xiàn)象就是全內(nèi)反射）。但當鞋與玻璃板發(fā)生接觸，光就可以從接觸處逸出。換言之，生成的圖像只有在接觸點處才出現(xiàn)明亮像素，進而使研究人員能用高速光學成像設(shè)備對接觸區(qū)域進行可視化。

滑動籃球鞋時的摩擦界面可視化。（圖/Djellouli et al. / Nature）

圖像顯示，隨著籃球鞋向前滑動，鞋與地面之間界面處的摩擦會在橡膠中產(chǎn)生開口脈沖，它會導致鞋與地面之間出現(xiàn)非均勻滑動。這些脈沖是以簇發(fā)的方式成組產(chǎn)生的，并會在鞋底下表面?zhèn)鞑?，瞬間將鞋底抬離地面，使鞋得以前進。

此外，研究人員還觀察到，這些吱吱聲并非如傳統(tǒng)觀點所認為的那樣，是由隨機的粘-滑事件產(chǎn)生。相反，吱吱聲的音高是由這些脈沖的重復率所決定，而這一重復率則是由鞋底的剛度與厚度決定的。

而且，另一個令人意外的發(fā)現(xiàn)是：圖像還揭示了伴隨吱吱聲出現(xiàn)的短暫閃光——放電。這意味著，這種摩擦還伴隨著電荷分離以及強電場的產(chǎn)生。實驗表明，在某些情況下，這些滑移脈沖是由摩擦起電放電觸發(fā)的。

從簡單的滑動看見復雜

這些結(jié)果挑戰(zhàn)了“摩擦可以被簡化的一維模型完全刻畫”這一假設(shè)，并凸顯了界面維度所起的關(guān)鍵作用。它不僅解釋了一種熟悉的聲音，也揭示了看似簡單的滑動行為中能夠隱藏多么豐富的復雜性。

如果這些過程最終能夠被理解并加以控制，它們可能為有意調(diào)控摩擦行為提供途徑：要么增強抓地力或能量采集等理想效應，要么抑制不需要的噪聲、磨損與不穩(wěn)定性。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10132-3

https://seas.harvard.edu/news/physics-squeak

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00295-4

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00620-x

#圖片來源：

封面圖&首圖：jeffjuit / Pixabay