O mecanismo na origem deste rangido não estava completamente elucidado, e foi para o estudar que investigadores realizaram vários estudos experimentais que permitem compreender como o atrito entre os dois materiais gera o ruÃdo de rangido.
Imagem de ilustração Pixabay
Um primeiro estudo focou-se num exemplo simples: ténis de basquetebol comerciais a deslizar sobre uma placa de vidro lisa a uma velocidade de cerca de 1 m/s. Para observar o fenómeno, um dispositivo acústico regista o som emitido, enquanto a interface entre a sola e o vidro é visualizada com a ajuda de um sistema ótico e de imagem ultra-rápida.
O estudo evidenciou a existência de impulsos de abertura, ou seja, de separações temporárias da interface, que se propagam na direção do deslizamento a cerca de 80 m/s, muito mais rápido do que a velocidade de deslizamento, com uma frequência próxima de 5000 Hz. Ora, esta mesma frequência aparece simultaneamente no espetro do som gravado, no ritmo de repetição dos impulsos. O que relaciona claramente o som do rangido com a dinâmica dos impulsos de abertura da interface. Um comportamento similar é observado quando se esfrega um dedo no vidro.
Para ir mais longe no estudo deste mecanismo, a equipa realizou outra série de experiências com blocos de silicone de dimensões bem definidas (40 × 40 × 20 mm), que fizeram deslizar sobre substratos rÃgidos lisos, sob uma tensão normal e uma força de tração controladas. O mesmo fenómeno de propagação de impulsos de abertura foi observado, e as medições revelaram que estes impulsos se propagam a velocidades elevadas, comparáveis à velocidade das ondas de cisalhamento no material macio (cerca de 22-24 m/s para o silicone utilizado).
Quando a superfÃcie de deslizamento do bloco de silicone é plana, os impulsos são desordenados. A sua dinâmica complexa traduz-se numa emissão acústica de banda larga: um ruÃdo sem frequência dominante. Mas quando os investigadores criaram finas nervuras paralelas, ranhuras, na superfÃcie de deslizamento do bloco macio, observaram que os impulsos de abertura estão confinados espacialmente e propagam-se ao longo dessas ranhuras.
Esquema de princÃpio da montagem experimental concebida para a visualização das ondas na interface de fricção entre a sola do sapato e uma placa sólida.
© V. Tournat
Os impulsos são doravante gerados de maneira regular, com um ritmo constante, e as ranhuras atuam como guias de onda. O som do rangido é claro e tonal. A geometria das ranhuras tem pouca influência na frequência fundamental emitida, que depende, em contrapartida, da altura do bloco de silicone.
A equipa fabricou assim uma série de blocos ranhurados produzindo cada um uma nota diferente quando deslizam sobre o vidro. Observações similares foram obtidas com outros materiais macios, tais como um elastómero e um poliuretano termoplástico.
Estes resultados, para além da explicação do mecanismo na origem do rangido, poderão permitir controlá-lo, seja para o suprimir ou para escolher a sua frequência, para fins de deteção ou diagnóstico. A estruturação das superfÃcies abre também novas vias para diminuir ou modular a fricção através de uma gestão fina da rutura na interface.
Finalmente, este estudo fornece um novo esclarecimento experimental sobre a fricção e a rutura entre dois materiais, suscetÃvel de interessar a investigação em geofÃsica e na dinâmica dos sismos.
Representação esquemática dos fenómenos em jogo na experiência de rangido quando um sólido macio é deslizado sobre uma superfÃcie rÃgida.
© V. Tournat