Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vousy vstávají hrůzou…
Každodenní činnost mnoha mužů, ranní holení, byla předmětem detailního studia v americkém Massachusetts Institute of Technology (MIT). Přestože mají vousy mnohem menší tvrdost než ocel, již několik použití žiletku ztupí. Výzkum pomocí elektronového mikroskopu odhalil souběh tří příčin tohoto jevu.
V holítkách pro mokré holení dnes najdeme obvykle tři břity, v některých až šest. K jejich výrobě se používá speciální ocel zvaná laťkový martenzit, která vyniká velkou tvrdostí. Jde o přesycený tuhý roztok uhlíku v železe a v jeho mikrostruktuře najdeme oblasti tvarované do podoby miniaturních, různě orientovaných latí.
Břit žiletky je vybroušen do písmene V s vrcholovým úhlem 17 ° a poloměrem vrcholové hrany 40 nm, tj. 4 x 10-8 m. Navíc bývá potažen látkou podobnou diamantu, kvůli dosažení potřebné ostrosti, a pokryt polytetrafluoretylenem snižujícím tření.
Přestože má použitý materiál mnohonásobně vyšší tvrdost, než je tvrdost vousů, žiletky se tupí už po zhruba tuctu použití. Podobně degraduje operační vybavení, kuchyňské nože a další řezné nástroje, ačkoli se zakusují do tak měkkých materiálů, jako jsou brambory, sýry nebo dřevo.
Vědci z amerického MIT hledali příčinu těchto jevů na mikroskopické úrovni. Pracoviště disponuje potřebným zařízením na velmi dobré úrovni, a tak se některé experimenty uskutečnily dokonce in situ, tj. přímo ve speciálním držáku elektronového mikroskopu. Díky tomu bylo možné popsat tři hlavní procesy, jejichž souhrou vzniká tupá žiletka.
V jejím ostří je možné pozorovat vnitřní pnutí, protože materiál se skládá z více struktur, jako jsou latě martenzitu, zbytkový austenit nebo nehomogenně rozmístěné dislokace. Ty mohou být navíc dekorovány uhlíkem nebo karbidy. Struktura žiletkového ostří sice zaručuje vysokou tvrdost až 8 700 MPa, ale zároveň vykazuje nestejnoměrnou mikro-mechanickou odpověď na mechanické napětí.
Stejně tak má lidský vlas velmi anizotropní strukturu. Je to kompozit s průřezem mezi 80 a 200 μm, který není přesně kruhový. Šupinaté buňky vnější vrstvy vlasu, tzv. kutikuly s tvrdostí ~ 170 MPa, jsou uspořádány jako tašky na střeše. Buňky střední vrstvy, cortexu (kůry), jsou protažené do podoby dlouhých vláken podél vlasu. Obsahují keratin, bílkovinu vláknité struktury, která dodává vlasu sílu a pružnost. Vrstva je třikrát měkčí než kutikula. Konečně i dřeň, tzv. medula, obsahuje keratin. Díky němu vlasy odolávají vysokým i nízkým teplotám a jsou chráněny před slunečním zářením. Dřeň k mechanickým vlastnostem vlasu nepřispívá.
Během řezu se vous ohýbá, protože je fixován v pokožce jen jedním svým koncem. Autoři článku, zveřejněného v prestižním časopise Science, proto opakovaně řezali různě skloněné jednotlivé vousy nebo jejich skupiny. Výsledky experimentů nabídly výzkumníkům tři možná vysvětlení onoho věčného tupení žiletek.
Jako první důležitá okolnost se ukázal úhel řezu, sevřený mezi řezným nástrojem a vlasem. Pokud byly vousy řezány přesně v úhlu 90 °, ostří žiletky se téměř nezměnilo. Pod menším úhlem, což lépe odpovídá realitě, se však ostří opotřebovávalo mnohem rychleji. Je to dáno tím, že při šikmém řezu působí větší a nepravidelnější síly.
Druhou významnou příčinu identifikovali vědci v malých poruchách v hranách žiletky. Ty měly podobu vyhloubenin v linii ostří. Z nich se během namáhání (holení) šíří nežádoucí podélné mikrotrhliny.
Konečně hraje roli také poloha těchto poruch vůči vousu. Pokud žiletka narazí na okraj vlasu právě v místě poruchy, degraduje rychleji, protože je během řezu namáhána větší silou.
Na základě zjištěných faktorů vědci z MIT vytvořili také simulace chování ostří žiletky. Jejich výsledky plně potvrdily analýzy provedených pokusů, včetně spojeného vlivu všech tří nežádoucích faktorů.
Zvýšení trvanlivosti žiletek tak může přinést jen zlepšení použitých materiálů nebo výrobních technologií. Je zajímavé, že broušení ostří sice vyhladí některá z porušených míst, ale jako celek vede ke ztrátě kvality materiálu. Řešením je spíše preciznější struktura na hraně ostří, například zjemnění martenzitické struktury, použití jiných nanostrukturních slitin nebo dokonce amorfních kovových skel. Nové materiály jsou tak budoucím receptem na déle sloužící žiletky a další řezné nástroje.
Do té doby zbývá jen druhá možnost, i když spíše teoretická, a tou je změna úhlu řezu na optimálních 90 °. Při takovém holení „na kolmo“ by však musely dotčeným vstávat vousy hrůzou…
Originální zdroje:
G. Roscioli, S. M. Taheri-Mousavi, C. C.Tasan: How hair defoms steel. Science 369 (2020), s. 689–694.
Welt der Physik: Warum Rasierklingen stumpf werden. Welt der Physik: Startseite [online]. Copyright © Wissenschaft aktuell [cit. 10.11.2020]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2020/warum-rasierklingen-stumpf-werden/
Autoři: Ivana Stulíková, Luboš Veverka
Převzato z Matfyz.cz.
Pozvánka:
Den otevřených dveří na MFF UK – úterý 24. 11. od 17:00 (jako online přenos)
