Исследователи из Массачусетского технологического института изучили износ стальных лезвий в процессе бритья. Сначала физики провели серию опытов под электронным микроскопом, а затем проанализировали взаимодействие волоса и лезвия с помощью метода конечных элементов. Оказалось, что риск разрушения острия увеличивается, если резать волосы под большим углом, или же если попасть краем волоса на участок лезвия с шероховатостями, которые там появляются уже на этапе изготовления. Большое влияние на долговечность лезвия оказала и однородность стали. Статья опубликована в журнале Science.
Люди уже давно научились использовать сталь для изготовления долговечных и острых ножей, топоров и других инструментов. Однако физики до сих пор не всегда могут объяснить, что именно приводит к разрушению лезвий из такого твердого на первый взгляд металла. Тем более непонятно, как затупляются лезвия, режущие на порядок менее твердые предметы, чем они сами. К такому вопросу относится и недолговечность одноразовых станков для бритья, ведь в теории сталь в 50 раз тверже среднего человеческого волоса.
Джанлука Рошчоли (Gianluca Roscioli) из Массачусетского технологического института и его коллеги провели комплексное изучение взаимодействия стальных лезвий из одноразовых станков для бритья с человеческими волосами чтобы определить, какие факторы играют наибольшую роль в разрушении острия. Сначала физики изучили объекты своего исследования в нетронутом виде на электронном микроскопе. Ученые обнаружили, что на лезвиях даже нового станка для бритья много мельчайших шероховатостей, размер которых не превышал 5 микрометров (средний диаметр человеческого волоса — 100 микрометров). Также исследователи изучили однородность стали, из которой были сделаны лезвия, и продемонстрировали, что она обладает достаточно сильной гранулированностью. Все это пригодилось физикам на следующих этапах исследования.
Затем ученые пронаблюдали за изменением состояния лезвия после того как им побрились 10 и 25 раз, и обнаружили, что сначала по лезвию из исходных неровностей начинают идти трещины, которые затем приводят к сколам острия и в конечном счете к его затуплению. Однако физикам все еще не было ясно, какие именно процессы провоцируют формирование трещин, возникла необходимость пронаблюдать за процессом в реальном времени. Для этого исследователи создали установку, позволяющую с помощью электронного микроскопа непрерывно наблюдать за процессом срезания нескольких закрепленных на подставке волос и регулировать угол наклона лезвия. С ее помощью ученые обнаружили, что самые крупные трещины и выемки в лезвии возникали в областях, где сталь соприкасалась с самым краем волоса. Также оказалось, что с увеличением угла наклона лезвия к волосу относительно перпендикулярного положения увеличивался и наносимый острию урон.
Разрушение острия лезвия с увеличением числа использований бритвы
Roscioli Gianluca et al. / Science, 2020
Тогда физики решили продолжить исследование с помощью моделирования происходящих с лезвием процессов методом конечных элементов. Воздействие волоса они симулировали с помощью наложения на небольшую область лезвия постоянной силы, величину которой авторы предварительно измерили в опыте. При этом на виртуальном лезвии искусственно создали выемки, которые были признаны воссоздать шероховатости на остриях новых бритвенных станков. Такая модель позволила авторам варьировать как угол, с которым лезвие давило на волос, так и местоположение самого волоса. Результаты моделирования совпали с результатами описанных выше опытов: наибольшее напряжение лезвие испытывало именно в нижних точках выемок на лезвии, причем оно существенно увеличивалось для выемки, на которую давил самый край волоса. Увеличение углов, под которыми волос воздействовал на лезвие, тоже приводило к увеличению напряжения.
Распределение напряжения по лезвию при его перпендикулярном расположении к волосу (сверху) и при его отклонении на угол 35° (снизу)
Roscioli Gianluca et al. / Science, 2020
Вспомнив о том, что сталь в лезвиях станка была крайне неоднородна, физики решили учесть это в моделировании и посмотреть что будет, если раздел между средами разной твердости окажется прямо на месте исходной шероховатости лезвия. Оказалось, что это сильнейшим образом влияет на выход энергии, идущей на разрушение лезвия, особенно если на эту шероховатость приходится самый край волоса. Симуляция показала, что если со стороны волоса окажется более мягкая сталь, то разрушение будет в разы заметнее, чем если бы трещина располагалась в однородной стали. Физики проверили, наблюдается ли такой эффект в реальных опытах, и правда обнаружили очень близкую к предсказаниям моделирования закономерность — в местах неоднородности разрушения были существенно заметнее.
Все факторы, влияющие на вероятность разрушения лезвия. Сверху вниз: от идеальных условия для длительной службы к условиям, в которых возникают трещины и сколы
Таким образом, физикам удалось найти три главных фактора, влияющих на степень разрушения лезвия: угол между острием и волосом, микротрещины и шероховатости стали вместе с их расположением относительно края волоса, а также однородность стали. Авторы отмечают, что в будущем это исследование может не только помочь производителям бритв улучшить свой продукт, но и положить начало обобщению обнаруженных закономерностей на другие задачи материаловедения.
