Защо бръсненето износва дори най-острите ножчета

Група инженери решават да разберат защо острието на бръснача се износва, въпреки че човешкият косъм е 50 пъти по-мек от стоманата. Те откриват, че бръсненето деформира острието по много по-сложен начин, отколкото хората предполагат. И времето не е единствената причина за това.

Остриета, скалпели, ножове – всички те се изработват от неръждаема стомана, заострена по ръба до съвършенство и с покритие от още по-солидни и устойчиви материали като например въглерод с твърдост като тази на диаманта. Все пак ножовете се нуждаят от периодично наточване, докато ножчетата за бръснене се сменят известно време, след като са били използвани за срязване на материали много по-меки от тях самите.

Нехомогенната стоманена структура и ъгълът на поставяне на острието определят степента на износване

Инженери от Масачузетския технологичен институт решават да проследят отблизо самия процес на бръснене, за да открият защо ножчетата на самобръсначките се деформират и износват от човешките косми – 50 пъти по-меки от самите ножчета. Първият извод, до който стигат е, че не само времето води до тяхното износване. При определени условия един-единствен косъм би могъл да увреди острието на ножчето. Веднъж появи ли се една пукнатина по повърхността му, ножчето започва да се деформира необратимо. Колкото повече пукнатини се появят около първоначалната, толкова по-бързо се износва острието.

Микроскопичната структура на острието играе ключова роля, смятат инженерите. Ако самата микроструктура не е хомогенна, вероятността да се появят пукнатини по острието е по-голяма. Наличието на дефекти в структурата на стоманата и ъгъла, под който се позиционира самото острие спрямо косъма, също са важни фактори за появата на пукнатини.

Екипът предлага и съвети как биха могли да се запазят по-дълго остриетата в добро състояние. Например, шеф-готвачът би могъл да реже зеленчуците под прав ъгъл, перпендикулярно на дъската за рязане. А производителите на износоустойчиви остриета могат да обърнат по-сериозно внимание на структурата на материалите и да избират такива с по-хомогенна.

Джем Тасан, експерт по металургия към Масачузетския технологичен институт, казва, че основната цел на инженерите е да разгадаят проблем, с който почти всеки от нас се е сблъсквал, а именно защо остриетата се износват при допир до много по-меки материали.

Тасан и колегите му изготвят доклад с резултатите от изследването си в списание „Science.“

Неразгадани тайни на металургията

Екипът на Тасан от катедрата по Материалознание и инженеринг към Масачузетския институт анализират микроструктурата на металите, за да проектират нови, много по-устойчиви на износване и увреждане.
„Ние работим в областта на металургията и искаме да разберем какво и как точно причинява деформацията на металите, за да можем да създадем по-добри. В конкретния случай интересното беше, че ако отрежеш нещо наистина меко, като човешки косъм например, с нещо наистина твърдо като стоманата, твърдият материал се поврежда“, допълва експертът.

Рошиоли, член на екипа от инженери, провежда няколко предварителни експеримента, като използва еднократни ножчета, за да избръсне брадата си. След всяко бръснене той прави снимка на острието със специален сканиращ електронен микроскоп, който му помага да установи поетапното износване.

За негово учудване, износването се оказва едва забележимо и основно около самия ръб. Но той забелязва появили се пукнатини в определени участъци.

Така изниква следващият въпрос: „Забелязахме пукнатини, но не хаотични, а на точно определени места. Защо точно там, при какви условия?

Пукнатина по новото острие

За да намери отговор на въпроса си, Рошиоли конструира малък, микромеханичен апарат, за да извърши още експерименти с по-добре контролирано бръснене. Самият уред се състои от подвижна част, с по две скоби от всеки край – едната фиксира острието, а другата захваща косъм. Той използва стандартни ножчета, които се продават в магазините, които обаче поставя под различен ъгъл и на различна височина, за да симулира реалния процес на бръснене.

Уредът е проектиран така, че да се побира в сканиращия електронен микроскоп, където Рошиоли ще има възможността да прави снимки с висока резолюция както на косъма, така и на самото острие при всеки свой експеримент. В опитите участва както самият той, така и негови колеги от лабораторията, за да се използват косми с различна структура и плътност.  Рошиоли открива, че острието се уврежда еднакво, без значение плътността на косъма. Както в самото начало на проучването си, той забелязва, че косъмът причинява напукване по едни и същи места.

След като разглежда внимателно снимките, направени с електронния микроскоп, установява, че пукнатини не се появяват, когато косъмът се отстранява перпендикулярно. В случаите, когато космите могат да променят посоката и височината си, тоест всеки път ъгълът на бръснене е различен, вероятността от поява на пукнатина е много по-голяма. Те се забелязват най-вече там, където ръбът на острието докосва надлъжната част, а не върха на косъма.

Изчислителни симулации

Инженерите стигат още по-далече, като провеждат изчислителни симулации, при които създават модел на стоманено острие, режещо косъм. При всяка симулация те променят условията – ъгъла на срязване, посоката на движение при срязването и, най-вече, състава на стоманата на самото острие.

Откриват, че симулациите предсказват възможност за поява на пукнатини при три условия: когато острието се движи под ъгъл спрямо косъма, когато структурата на стоманата не е хомогенна и когато върхът на косъма има допир с лесна за разрушаване част от хетерогенната структура.

Тасан пояснява, че тези три условия характеризират механизъм, познат като усилване на стреса. Състояние, при което ефектът от стреса, оказван върху даден материал, се увеличава, ако има микропукнатини. Ето защо, появи ли се веднъж такава микроскопична пукнатина, броят и размерът им неизменно ще се увеличава.

Инженерът уточнява, че симулациите дават отговор на въпроса как хетерогенността увеличава стреса върху материала и води до разширяване на пукнатините, дори когато става въпрос за мек човешки косъм.

Екипът е подал документи за получаване на патент върху процеса по създаване на по-хомогенна стоманена структура, която да даде възможност за производството на по-износоустойчиви остриета. Основната им задача е да увеличат хомогенността, запазвайки обаче твърдостта на стоманата.