Физики разобрались, почему волосы человека затупляют самые острые ножницы

Американские физики объяснили, почему щетина и волосы, которые состоят из мягкого белка кератина, быстро затупляют даже самые острые и прочные лезвия ножниц и бритв. Результаты их работы опубликовал научный журнал Science.

«Наша главная задача заключалась в том, чтобы понять, почему столь мягкий материал, как волосы, быстро приводит в негодность твердые лезвия из стали. Мы нашли главного „виновника“ этой проблемы и выяснили, как сделать стальные режущие инструменты гораздо более долговечными», — рассказал один из авторов исследования, доцент Массачусетского технологического института Цем Тасан.

В последние годы инженеры, химики и физики начали активно интересоваться тем, как устроены различные «изобретения» природы, многие из которых значительно превосходят созданные человеком материалы по прочности, легкости, долговечности и множеству других параметров. К примеру, шелк из паутины по прочности значительно превосходит сталь и кевлар, при этом обладая низкой массой и высокой стойкостью к растягиванию.

Аналогичным образом клей, который вырабатывают некоторые моллюски, может сохранять свои свойства под водой. Он прикрепляется к мягким тканям гораздо лучше, чем большинство известных синтетических клейких веществ. Клешни морских раков-богомолов состоят из особого композитного материала, благодаря которому их удары могут соперничать по своей пробивной силе с выстрелом из винтовки.

Изучая то, как меняется структура стальных лезвий бритвы после того, как они были использованы по назначению, Тасан и его коллеги обнаружили еще одно подобное «изобретение» природы.

«Нас как металлургов интересуют различные процессы, которые управляют деформацией металлов, так как их понимание поможет нам улучшить свойства сплавов. В данном случае было очень интересно узнать то, почему твердое стальное лезвие становится тупым, если им разрезать мягкий материал, подобный волосам человека», — пояснил Тасан.

Для этого ученые просветили лезвия до и после использования сканирующим электронным микроскопом и сравнили их структуру, оценивая характер износа и повреждений. Оказалось, что лезвия при использовании почти не изнашивались. Однако на их режущей грани появлялось множество зазубрин и трещин. Их количество и размеры росли с каждым использованием бритвы.

Эти трещины и сколы, как отмечает физик, появлялись только на определенных участках лезвия. Поэтому исследователи с помощью специального робота детально изучили процесс их формирования. Робот удерживал волос в определенной позиции и проводил по нему бритву.

Наблюдая за этим процессом, ученые обнаружили, что лезвие повреждалось только в тех случаях, когда оно разрезало волос не под прямым углом. Это было связано с тем, что щетина и волосы покрыты множеством мелких чешуек. Если лезвие резало волос не перпендикулярно, то оно попадало между этих чешуек.

Когда это происходило, нагрузка на кончик лезвия резко усиливалась. В результате в тех частях лезвия, где сталь достаточно неоднородна по своему составу из-за включений углерода, на нем появлялись трещины и расколы. Соответственно, если сделать этот материал более однородным, то тогда бритва или ножницы будут оставаться острыми гораздо дольше, резюмируют исследователи.