Бритви, скальпелі та ножі зазвичай виготовляють з нержавіючої сталі, загострюють і покривають ще твердішими матеріалами, такими як вуглець, подібний до алмазу. Однак ножі вимагають регулярної заточки, тоді як бритви регулярно замінюються після різання матеріалів набагато м’якших, ніж самі леза.
Зараз інженери на MIT вивчили простий акт гоління впритул, спостерігаючи, як лезо бритви може бути пошкоджене, оскільки воно ріже людські волосся – матеріал, який у 50 разів м’якший, ніж саме лезо. Вони виявили, що гоління волосся деформує лезо таким чином, що лезо просто зношується вниз по краю. Насправді, одна прядка волосся може спричинити чіпкість краю леза в конкретних умовах. Як тільки початкова тріщина утворюється, лезо вразливе для подальшого сколювання. Оскільки навколо початкової стружки накопичується більше тріщин, край бритви може швидко затупитись.
Мікроскопічна структура леза відіграє ключову роль. Лезо більш схильне до відколів, якщо мікроструктура сталі не рівномірна. Кут наближення леза до пасма волосся та наявність дефектів мікроскопічної структури сталі також відіграють значну роль у виникненні тріщин.
Висновки команди також дали підказки, як зберегти гостроту леза. Наприклад, нарізаючи овочі, шеф-кухар може розглянути різання прямо, а не під кутом. І розробляючи більш тривалі, більш стійкі до зношування леза, виробники можуть розглянути можливість виготовлення ножів з більш однорідних матеріалів.
Таємниця металургії
Група Тасана у відділі матеріалознавства та інженерії MIT досліджує мікроструктуру металів, щоб створити нові матеріали з винятковою стійкістю до пошкоджень.
“Ми металурги і хочемо дізнатися, що регулює деформацію металів, щоб ми могли зробити кращі метали”, – каже Тасан. “У цьому випадку було інтригуюче, що якщо ви виріжете щось дуже м’яке, як людське волосся, з чимось дуже жорстким, як сталь, важкий матеріал вийде з ладу”.
Щоб визначити механізми, за допомогою яких леза бритви виходять з ладу під час гоління людського волосся, Россіолі вперше провів кілька попередніх експериментів, використовуючи одноразові бритви для гоління власного волосся на обличчі. Після кожного гоління він знімав край бритви за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM), щоб відстежити, як лезо зношувалося з часом.
Дивно, але експерименти виявили дуже мало зносу, або закруглення гострого краю з часом. Натомість він помітив стружки, що утворюються уздовж певних областей краю бритви.
Незалежно від густоти волосся, Россіолі дотримувався того ж механізму, за допомогою якого волосся пошкоджували лезо. Так само, як і в своїх початкових експериментах з голінням, Россіолі встановив, що волосся спричиняє відшарування краю леза, але лише в певних місцях.
Проаналізувавши SEM-зображення та фільми, зняті під час експериментів з різанням, він виявив, що стружка не виникає, коли волосся стрижеться перпендикулярно лезу. Однак, коли волосся можна було згинати, скоріше за все виникають сколи. Ці сколи найчастіше утворюються в місцях, де край леза зустрічався з боків пасм волосся.
Команда провела обчислювальні симуляції, в яких моделювала сталеве лезо, прорізавши єдине волосся. Під час імітації кожного гоління волосся вони змінювали певні умови, такі як кут різання, напрям сили, що застосовується при різанні, і головне, склад сталі леза.
Вони встановили, що моделювання передбачає збій за трьох умов: коли лезо наближається до волосся під кутом, коли сталь леза має неоднорідний склад, і коли край пасма волосся зустрічається з лезом у слабкій точці його гетерогенної структури.
Тасан каже, що ці умови ілюструють механізм, відомий як посилення напруги, при якому вплив напруги, прикладеної до матеріалу, посилюється, якщо в структурі матеріалу є мікротріщини. Як тільки утворюється початкова мікротріщина, неоднорідна структура матеріалу дала змогу цим тріщинам легко перерости до сколів.
“Наші симуляції пояснюють, як неоднорідність матеріалу може підвищити навантаження на цей матеріал, щоб тріщина могла нароститися, навіть якщо напруга накладається м’яким матеріалом, як волосся”, – каже Тасан.
“Основна ідея полягає у зниженні цієї неоднорідності, при цьому ми зберігаємо високу твердість”, – говорить Россіолі. “Ми навчилися робити кращі леза, і тепер ми хочемо це зробити”.