Дослідники з Массачусетського технологічного інституту вивчили знос сталевих лез у процесі гоління. Спочатку фізики провели серію дослідів під електронним мікроскопом, а потім проаналізували взаємодію волосся і леза за допомогою методу кінцевих елементів. Виявилося, що ризик руйнування гострія збільшується, якщо різати волосся під великим кутом, або ж якщо потрапити краєм волосся на ділянку леза з шорсткостями, які там з'являються вже на етапі виготовлення. Великий вплив на довговічність леза справила і однорідність сталі. Стаття опублікована в журналі.
Люди вже давно навчилися використовувати сталь для виготовлення довговічних і гострих ножів, сокир та інших інструментів. Однак фізики досі не завжди можуть пояснити, що саме призводить до руйнування лез з такого твердого на перший погляд сплаву. Тим більше незрозуміло, як затупляються леза, ріжучі на порядок менш тверді предмети, ніж вони самі. До такого питання належить і недовговічність одноразових верстатів для гоління, адже в теорії сталь у 50 разів тверіша від середньої людської волосини.
Джанлука Рошчолі (Gianluca Roscioli) з Массачусетського технологічного інституту і його колеги провели комплексне вивчення взаємодії сталевих лез з одноразових верстатів для гоління з людським волоссям щоб визначити, які фактори відіграють найбільшу роль у руйнуванні гострію. Спочатку фізики вивчили об'єкти свого дослідження в недоторканому вигляді на електронному мікроскопі. Вчені виявили, що на лезах навіть нового верстата для гоління багато найдрібніших шорсткостей, розмір яких не перевищував 5 мікрометрів (середній діаметр людського волосся - 100 мікрометрів). Також дослідники вивчили однорідність сталі, з якої були зроблені леза, і продемонстрували, що вона володіє досить сильною гранульованістю. Все це стало в нагоді фізикам на наступних етапах дослідження.
Потім вчені поспостерігали за зміною стану леза після того як їм поголилися 10 і 25 разів, і виявили, що спочатку по лезу з вихідних нерівностей починають йти тріщини, які потім призводять до сколів вістрія і в кінцевому рахунку до його затуплення. Однак фізикам все ще не було ясно, які саме процеси провокують формування тріщин, виникла необхідність поспостерігати за процесом у реальному часі. Для цього дослідники створили установку, що дозволяє за допомогою електронного мікроскопа безперервно спостерігати за процесом зрізання декількох закріплених на підставці волосся і регулювати кут нахилу леза. З її допомогою вчені виявили, що найбільші тріщини і виїмки в лезі виникали в областях, де сталь стикалася з самим краєм волосся. Також виявилося, що зі збільшенням кута нахилу леза до волосся відносно перпендикулярного положення збільшувався і завданий вістрі шкоди.
Тоді фізики вирішили продовжити дослідження за допомогою моделювання процесів, що відбуваються з лезом, методом кінцевих елементів. Вплив волосся вони симулювали за допомогою накладення на невелику область леза постійної сили, величину якої автори попередньо виміряли в досвіді. При цьому на віртуальному лезі штучно створили виїмки, які були покликані відтворити шорсткості на вістрях нових бритвених верстатів. Така модель дозволила авторам варіювати як кут, з яким леза тиснула на волосся, так і місце розташування самого волосся. Результати моделювання збіглися з результатами описаних вище дослідів: найбільше напруження лезо відчувало саме в нижніх точках виїмок на лезі, причому воно істотно збільшувалося для виїмки, на яку тиснув самий край волосся. Збільшення кутів, під якими волосся впливало на лезо, теж призводило до збільшення напруги.
Згадавши про те, що сталь в лезах верстата була вкрай неоднорідна, фізики вирішили врахувати це в моделюванні і подивитися що буде, якщо розділ між середовищами різної твердості опиниться прямо на місці вихідної шорсткості леза. Виявилося, що це найсильнішим чином впливає на вихід енергії, що йде на руйнування леза, особливо якщо на цю шорсткість припадає самий край волосся. Симуляція показала, що якщо з боку волосся виявиться більш м'яка сталь, то руйнування буде в рази помітніше, ніж якби тріщина розташовувалася в однорідній сталі. Фізики перевірили, чи спостерігається такий ефект в реальних дослідах, і правда виявили дуже близьку до передбачень моделювання закономірність - в місцях неоднорідності руйнування були істотно помітнішими.
Таким чином, фізикам вдалося знайти три головних фактори, що впливають на ступінь руйнування леза: кут між вістрям і волоссям, мікротріщини і шорсткості стали разом з їх розташуванням відносно краю волосся, а також однорідність сталі. Автори відзначають, що в майбутньому це дослідження може не тільки допомогти виробникам бритв поліпшити свій продукт, але і покласти початок узагальненню виявлених закономірностей на інші завдання матеріалознавства.
Нещодавно ми писали про трохи менш прикладні, але не менш цікаві дослідження поліпшення міцності стали за допомогою відходів електроніки. А до появи стали, як відомо, люди активно робили інструменти з міді: раніше ми розповідали про один з найдавніших збережених сокир.