Команда инженеров Массачусетского технологического института обнаружила, почему стальные лезвия бритв притупляются даже при стрижке волос, которые в 50 раз мягче их. С помощью электронного микроскопа они обнаружили, что при правильных условиях один-единственный волос может сломать лезвие.
Одна из самых неприятных повседневных загадок - почему бритвенные лезвия тупятся так быстро? Интуитивно понятно, что лезвия из нержавеющей стали должны прослужить дольше недели. Поскольку они созданы, чтобы прорезать мягкие волосы, они должны продержаться несколько месяцев, а если они покрыты еще более твердыми материалами, они должны прослужить еще дольше.
Однако лезвия бритвы недолговечны, и другие стальные лезвия, такие как ножи и скальпели, также тупятся даже при использовании исключительно для более мягких материалов. Согласно Массачусетскому технологическому институту, это связано с тем, что происходит нечто большее, чем простой износ металла, например, когда лезвие трется о что-то более твердое, например, точильный камень. Вместо этого происходит следующее: если лезвие бритвы ударяет по волосу в неправильных условиях, оно подвергается напряжению, трескается, а затем скалывается из-за механизма, называемого усилением напряжения. Это скалывание приводит к большему количеству трещин, что приводит к большему количеству сколов в каскадном цикле, что в конечном итоге приводит к очень тупой бритве и неприятному бритью.
«Наша главная цель состояла в том, чтобы понять проблему, о которой почти все знают: почему лезвия становятся бесполезными, когда они взаимодействуют с гораздо более мягким материалом», - говорит доцент кафедры металлургии. «Мы обнаружили основные составляющие повреждений, которые позволили нам определить новый технологический путь для создания лезвий, которые могут служить дольше».
«Мы металлурги и хотим узнать, что влияет на деформацию металлов, чтобы мы могли изготавливать металлы лучшего качества. В данном случае было интригующим то, что если вы режете что-то очень мягкое, например человеческий волос, чем-то очень твердым, например, сталью, твердый материал не выдерживает этого и разрушается».
Чтобы узнать больше о том, что происходит, когда лезвие встречается с волосами, аспирант Массачусетского технологического института Джанлука Росциоли побрился одноразовой бритвой, а затем исследовал лезвия под растровым электронным микроскопом. Когда он это сделал, то обнаружил очень небольшой износ или скругление. Он обнаружил сколы, но они не были постоянными по краю.
В более сложном тесте Росциоли сконструировал микромеханический аппарат, состоящий из подвижного предметного столика и двух зажимов, чтобы удерживать лезвие коммерческой бритвы и закреплять тестовые волосы различного диаметра, подаренные коллегами из лаборатории. В процессе работы устройство могло резать на разной глубине и под разными углами, и оно могло поместиться внутри электронного микроскопа.
Анализ увеличенных лезвий показал, что они не скалывались, когда стригли волосы перпендикулярно, но делали это чаще, когда лезвие касалось волос под углом. Компьютерное моделирование, основанное на собранных данных, показало, что важен не только угол, но и прочность стали в лезвии. Если металл менялся по краю, это приводило к образованию слабых мест, где могли появиться сколы.
В надежде улучшить качество лезвия, команда подала заявку на предварительный патент, на процесс, позволяющий сделать сталь для бритвы более однородной.
«Основная идея состоит в том, чтобы уменьшить эту неоднородность, сохранив при этом высокую твердость», - говорит Росколи. «Мы научились делать лезвия лучше, и теперь мы хотим это делать».
Статья об исследовании была опубликована в журнале Science.
Источник: MIT
