קולות חריקה מלווים אותנו כמעט בכל מקום – מאירוע מצמרר שיער של חריקת גיר על הלוח, דרך נעלי כדורסל על הפרקט וחריקת בלמי אופניים, ועד חריקה של תותב מפרק ירך. ברור לנו שהתופעה קשורה בהחלקה של שני גופים זה על גבי זה, אך מה בתהליך ההחלקה גורם דווקא לצליל החריקה האופייני? מחקר חדש בוחן אילו תנאים בהחלקה מאפשרים את היווצרות צליל החריקה ומה משפיע על הצליל שנוצר.

פרסומת

אימון כדורסל. אולם גדול, אור ניאון לבן, שחקנים רצים הלוך ושוב ומגוון רעשים – כדרור הכדור, צעקות "מסור", שריקת משרוקית המאמן וכמובן – חריקות הנעליים על הפרקט. רובנו יכולים ממש לדמיין את הצליל המדויק של החריקות האלה. מדובר בצליל ייחודי, בעל תדר אופייני. מה גורם לחיכוך בין הסוליה והפרקט להפיק צליל כל כך מובחן, בניגוד לקולות חיכוך אחרים כמו, למשל, החלקת נעל על "סתם" מדרכה?

צלילי החריקה הם חלק בלתי נפרד מהפסקול של המשחק. (אימון נבחרת ארה"ב בכדורסל לקראת אולימפיאדת לונדון, 2012)

מחקר בנושא שנערך לאחרונה [1] התייחס לשאלה זו במלוא הרצינות. החוקרים שחזרו את צליל החריקה של סוליית נעל כדורסל על משטח חלק, הקליטו את הצלילים וצילמו את אזור המגע שבין הסוליה למשטח. תיעוד הווידאו של אזור המגע של סוליית נעל הכדורסל במשטח חושף דינמיקה מורכבת של מגע והיפרדות תוך כדי החלקת הנעל. אומנם נראה לנו שהנעל מחליקה קדימה באופן אחיד, אך למעשה באזור המגע חלקים מסוימים מתנתקים בעוד חלקים אחרים נצמדים למשטח. הדינמיקה המחזורית הזו של ניתוק ומגע נקראת גלי ניתוק.

בסרטון מתוך הניסוי שערכו החוקרים, ניתן לראות בצד שמאל את גלי הניתוק בין סוליית הנעל למשטח ההחלקה.

כדי לדמיין מהו גל ניתוק, נחשוב על גרירת שטיח כבד על הרצפה. בשיטת "ראש בקיר" נמשוך את השטיח מקצה אחד ונתאמץ לגרור אותו כשהוא מונח כולו על הרצפה. אם נרצה להקל על עצמנו, אפשר לנסות דרך שונה: לנער את השטיח באמצעות הרמה והורדה מהירות של הצד שאנו מחזיקים. כך ניצור בשטיח גל אנכי שיתקדם מאתנו והלאה, בכיוון ההפוך לכיוון המשיכה. בחלקו של השטיח שמורם באותו רגע מהרצפה – כלומר באזור שבו הגל עובר – השטיח יכול להתקדם לכיווננו. זהו גל ניתוק, גדול יותר מזה שנוצר בסוליית נעל הספורט, שיצרנו כדי להקל על גרירת השטיח.

באופן דומה, גלי הניתוק הם המאפשרים את התקדמות הסוליה על פני המשטח. למעשה, התקדמות הנעל על המשטח, שנראית חלקה ואחידה לכאורה, מתרחשת במעין "פס אחר פס" – באמצעות גלי ניתוק רבים הרודפים זה אחר זה.

תופעת גלי הניתוק מוכרת זה כמה שנים כאחד מאופני ההחלקה של שני חומרים בעלי תכונות אלסטיות שונות זה על גבי זה [2]. התופעה נצפית לעיתים גם ברעידות אדמה, כאשר תנועת הקרקע מתקדמת בצורת פעימה – למעשה גל ניתוק גדול. כך היה ברעידת גורקה (Gorkha) המפורסמת, שאירעה בנפאל בשנת 2015. רעידה חזקה זו, בעוצמה של 7.8, גרמה להרס רב וגבתה קורבנות רבים. ניתוח תנועת הקרקע לאחר הרעידה הראה כי בניגוד למודל השבירה המסורתי, שבו שני צדי ההעתק מחליקים זה על גבי זה ברציפות, המבנה הטקטוני באזור יצר בקרקע פעימה ברוחב של 20 ק"מ, שהתקדמה לאורך כ־140 ק"מ. למעשה, זה היה גל ניתוק ע-נ-ק [3, 4].

כעת אנו מבינים כי גלי הניתוק הם גם המקור לצלילי החריקה המוכרים. מכיוון שאלו נוצרים רק כאשר הסוליה נגררת על משטח חלק, צליל החריקה יתקבל על הפרקט באולם הכדורסל, אך לא במגרש הבטון המאובק שבחוץ.

תדר צליל החריקה נקבע על פי צפיפות גלי הניתוק ומהירותם. ומה קובע את צפיפות גלי הניתוק? כדי לאפיין במדויק את תכונות הגלים, הכינו החוקרים דגימות גומי בעלות תבניות חריצים שונות, מעין "דגימות סוליה", וכן דגימות חלקות. מצילום פני השטח והקלטת החריקות ניתן להבחין כי בתבניות החלקות נוצרים גלי ניתוק לא סדירים, בגדלים שונים ובכיוונים שונים. בהתאם לכך, הצליל המופק אינו מאופיין בתדר מסוים, אלא מורכב מתדרים רבים בעוצמה דומה – בדומה לרעש לבן. התבניות עם החריצים המסודרים, לעומת זאת, יצרו גלי ניתוק סדירים, שהפיקו צלילים בעלי כמה תדרים מובחנים – ואלה יצרו את צליל החריקה המובחן והמוכר.

התופעה שבה משטחים מחורצים יוצרים צלילים מובחנים בעת החלקה, ולעומתם משטחים חלקים יוצרים צליל רועש יותר, מוכרת לנו גם מחיי היום־יום. נסו לגרור את האצבע, שעליה חריצי טביעת האצבע, על משטח חלק – למשל חלון. השוו את הצליל לצליל המופק מגרירת בסיס כף היד על אותו משטח. ודאי תבחינו כי גרירת האצבע יוצרת צליל חריקה מובחן יותר, ואילו גרירת בסיס כף היד יוצרת צליל עמום יותר. במחקר מדדו החוקרים באופן כמותי בדיוק את ההבדל הזה.

בעזרת כמה דגימות גומי ודגימות סוליה בעלות ממדים שונים אפיינו החוקרים את הקשר בין ממדי הדגימה לצליל המופק. כך ניתן למעשה להנדס דגמים שבחיכוך עם משטח חלק יוצרים צליל מוזיקלי מדויק ומכוון.
מחקר שמגיע עם מסקנה כזו לא יהיה שלם ללא סימפוניה של חריקות – מנגינת "המארש הקיסרי" ("נעימת דארת' ויידר") בעזרת גומי חורק:

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

1. מאמר על חריקה בממשקי חיכוך בין חומר רך לחומר קשיח
2. מאמר המתאר את תופעת גלי הניתוק בין שני חומרים עם תכונות אלסטיות שונות
3. מאמר המציג אנליזה של רעידת האדמה Gorkha בנפאל ומדגים כי הייתה גל ניתוק
4. מאמר המציג את התורה המתמטית מאחורי גלי הניתוק בכלל, ומאחורי רעידת האדמה Gorkha בפרט