粉笔划过黑板，那一瞬间初中物理减少噪声，篮球场上运动鞋不时发出响声，这些生活里看似普通的摩擦现象，背后却藏着物理学界长期未能完全破解的谜题。近日，美国哈佛大学研究团队在《自然》杂志发表研究成果，首次揭示了软硬材料摩擦界面产生声音的物理机制，，他们不仅探析了摩擦发声的微观原理，还通过精巧的实验设计，让“摩擦声”奏响科幻电影《星球大战》配乐的一段旋律，为更好实现材料间摩擦力的控制开启了思路。
自然界里摩擦属于非常普遍显现状况中的一种，远古时期人类通过钻木取火从而点亮了文明的第一缕光线，古埃及工匠于沙地上洒水来进行润滑以便能够减少那种摩擦进而搬运巨石，它的应用以及研究差不多贯穿了人类社会发展的历程线。可是，摩擦学中精确定出数量的试验是特别困难的，摩擦定律直到现在仍然没有获得完善的解释说明。很长时间以来，科学家把摩擦声归结原因是“粘滑”这种振荡情况：当两个硬的表面相互之间进行摩擦的时候，它们不是按照平滑的方式来移动的，而是好像在开展一场拉锯战斗——时而紧紧地咬合在一起（静摩擦），时而忽然挣脱开来进行滑行（动摩擦）。这么一种“卡住、滑动再卡住”的循环致使自激振动得以产生，此后进而发出声音。可是呢，这一经典理论却相当难以作出解释，至于为何不同材质的摩擦会产生不一样的音调。
此次研究团队搭建了一个实验“舞台”，目的是为解开这一谜题。他们使篮球鞋鞋底以约1米/秒的速度在玻璃表面滑动，与此同时运用高速成像与声学分析技术初中物理减少噪声贝语网校，去实时捕捉摩擦界面的微观动态。实验得出的结果是，接触界面并非平静无波，而是涌起了一股股急速传播的“脱开波”。这些波就好像退潮时海水席卷沙滩上的沙纹那样，迅速扫过鞋底的微小纹理。每一次扫过，微小的接触点便完成一回从“闭合”至“张开”再回归“闭合”的快速循环。经测量显示，这些被称作“脱开波”的，是以80正负4米每秒的速度进行传播的，其传播速度远远高于鞋底本身的滑动速度。更让人感到惊叹不已的是，这次测量中其对应的重复频率大约是4830赫兹，而这一频率与人耳听到的声音主频率4800赫兹几乎是完全一致的。原来如此，“脱开波”所具有的节奏，恰恰就是摩擦声音的那个音高；那些由不同材质相互摩擦而产生的“旋律”，竟然是微观世界里无数如同“海浪”拍打着岸边的那种“合唱”。
研究团队对样品几何形状针对声音频率的调控规律做了进一步探究，测试了硅橡胶样品，其高度处于5至20毫米之间，且表面带有平行凸脊。结果有所发现，呈现出精确反比关系的、是样品自身高度与发出的特定音调基频。样品越高时，对应的音调越低；样品越矮的情况下，音调则越高。有这一情况意味着，科学家能够像调音师那样，借助设计不同高度的样品，主动去“创作”出想要的声音。研究团队把橡胶样品精准调校成6个不一样的音高，逐个滑动这些样品之际，仿若弹奏着一台瞧不见的乐器，凭借摩擦声重现了《星球大战》配乐的旋律。
于最平常的现象里头，常常蕴含着极不平常的真理。此项看上去“事小却大做”的研究，具备创新运用的极大潜力。举例而言，借由物理学、材料科学以及工程学的跨学科协作，科研人员能够研发出借由表面微结构主动调控摩擦力与声音的智能材料，有希望于低噪声交通、智能机器人触觉感知等领域达成突破。
与此同时，在实验里被观测到的“脱开波”现象，对研究、理解地震的触发及传播这一科学难题有所助益。地震的本质之处在于，地壳板块于巨大压力情形下，历经漫长的“卡住”（应力积累）阶段，直至突然间的“滑动”（能量释放）过程。其中那些迅速掠过的微小“脱开波”，恰是地震这一宏观过程的微观呈现。说不定将来总有一天，我们能够借助研究鞋底的“歌声”，从而对地 球的“怒吼”做出更为精准的预测。
(作者为中国科学院力学研究所研究员)
宋恒旭