Gdy się poruszamy, nasze kolana w rzeczywistości się... toczą. Taki wniosek to konsekwencja nowatorskiego modelu tarcia, przedstawionego przez naukowców z Politechniki Bydgoskiej. Model można wykorzystać w medycynie i w mechanice urządzeń - poinformowała uczelnia.

Jak oceniają badacze z Instytutu Matematyki i Fizyki Politechniki Bydgoskiej im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich (PBŚ), model może pomóc w tworzeniu terapii przeciw obniżaniu się sprawności układu ruchowego człowieka. Jeśli zaś wnioski z modelu uda się przenieść do świata urządzeń mechanicznych, to przynajmniej w części przypadków tarcie ślizgowe będzie można przekształcać w tarcie toczne. Oprócz korzyści energetycznych powinno to zwiększyć trwałość elementów konstrukcyjnych wchodzących ze sobą w interakcje.

"Hipotezę o istnieniu w naszych stawach tarcia tocznego działającego w mezoskali, na poziomie struktur micelarnych, po raz pierwszy przedstawiliśmy 15 lat temu. Teraz udało się nam ją przekształcić w model uwzględniający najważniejsze procesy fizyko-chemiczne, któe zachodzą w wypełniającej jamy stawowe cieczy synowialnej oraz na powierzchniach obu trących chrząstek" - mówi prof. dr hab. inż. Adam Gadomski, jeden z autorów artykułu opublikowanego w "Journal of Physics D: Applied Physics".

Stawy ludzkie jak łożyska maszyn

Jak wyjaśnił badacz cytowany w informacji prasowej, ciecz synowialna odgrywa rolę cienkiej warstwy smaru. Rozdziela ona w obrębie stawów części trące kości pokryte tkanką chrzęstną. Ciecz składa się głównie z wody z niewielkimi ilościami biopolimerów (głównie kwasu hialuronowego), fosfolipidów oraz białek. Składniki te są krytycznie ważne i współdziałają ze sobą w skomplikowany, wciąż nie do końca rozumiany przez naukowców sposób.

Autorzy modelu opisali zjawiska z udziałem kwasu hialuronowego i fosfolipidów, przebiegające w obecności cząsteczek wody. Współautor artykułu dr inż. Piotr Bełdowski wyjaśnia, że za mechaniczne działanie stawów odpowiadają złożone procesy.

"W wyniku przyłożonego zewnętrznego nacisku w cząsteczkach wody ulegają zerwaniu wiązania wodorowe. W cieczy synowialnej tworzą się kaskady, którymi zaczynają płynąć jony hydroniowe. W takich warunkach włókna sieci polimerowej kwasu hialuronowego, pokrywające powierzchnie chrząstek, zyskują ujemny ładunek elektryczny i zaczynają się odpychać elektrostatycznie. Sprzyja to redukcji tarcia" - opisuje dr inż. Bełdowski.

Micele przekształcają tarcie ślizgowe w toczne

Dodaje, że w nieco większych skalach odległości zachodzą zjawiska związane z powstawaniem i zanikaniem miceli, czyli okrągłych struktur z zewnątrz składających się z warstwy fosfolipidowej, a wewnątrz zawierających wodę.

Fosfolipidy na powierzchniach chrząstek układają się w wielowarstwy. Gdy w układzie pojawiają się siły ścinające i związane z nimi tarcie ślizgowe, zewnętrzne warstwy tych wielowarstw zaczynają się odrywać. Jednocześnie starają się osiągnąć konfigurację przestrzenną gwarantującą jak najmniejszą powierzchnię. Powstają wówczas micele - to właśnie one działają między chrząstkami jak rolki lub kulki w łożysku.

"Micele są odpowiedzialne za przekształcanie tarcia ślizgowego w toczne. Gdy siły zewnętrzne zanikają, micele się degradują, a tworzące je fosfolipidy z powrotem osadzają się na powierzchniach chrząstek, odtwarzając pierwotny stan wielowarstw. Staw pracuje więc jak układ mechaniczny z łożyskami tocznymi, tyle że niezwykłymi, bo pojawiającymi się wyłącznie wtedy, gdy są naprawdę potrzebne" - porównuje dr inż. Bełdowski.

Pchanie auta z zaciągniętym ręcznym

Aby wytłumaczyć, jaki zysk płynie z przekształcenia tarcia ślizgowego w toczne, naukowiec podaje przykład znany z życia codziennego. Przyznaje, że pchanie samochodu nie należy do przyjemności. Jest jednak możliwe, jeśli wszystkie koła mogą się swobodnie obracać, a zatem gdy toczą się po podłożu. Ale gdy zaciągniemy hamulec ręczny i zablokujemy koła, ten sam samochód ani drgnie. Dzieje się tak, ponieważ między oponami a ziemią, zamiast tarcia tocznego, będziemy teraz mieli do czynienia z istotnie większym tarciem ślizgowym.

"W medycynie jednym z zastosowań naszego modelu mogą być nowe, bardziej racjonalne odmiany wiskosuplementacji. Pod tym pojęciem należy rozumieć iniekcje służące takiemu uzupełnianiu składu cieczy synowialnych w chrząstkach stawowych, aby przywracał on optymalne proporcje między składnikami odpowiedzialnymi za redukowanie tarcia w trakcie pracy stawów. Szansę na ulepszenie miałyby także zabiegi artroskopowe" - mówi prof. Gadomski.

Inżynierowie zaznaczają, że bezpośrednie wykorzystanie modelu na ich własnym polu działań - w inżynierii - nie wydaje się obecnie możliwe z uwagi na uwzględnioną w nim specyfikę środowiska biologicznego stawów. W obrębie układu trącego znajdują się duże stężenia wody, a kluczowy składnik cieczy synowialnej, kwas hialuronowy, jest w stawach wymieniany praktycznie codziennie.

Bydgoscy badacze podkreślają jednak, że ich model może w przyszłości pomóc wyszukiwać analogi substancji odpowiedzialnych za biologiczny mechanizm tarcia tocznego. Własności tych odpowiedników naturalnych substancji będą lepiej dopasowane do wymogów eksploatacyjnych współczesnych urządzeń mechanicznych. Za obiecujące uważają badania nad inteligentną restrukturyzacją olejów silnikowych.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl