Amikor két sima, sík felületet (például üveglapokat vagy polírozott fémfelületeket) vékony zsírréteggel vagy folyadékkal vonunk be, majd egymáshoz szorítunk, jelentős ellenállást tapasztalunk, amikor megpróbáljuk őket merőlegesen elhúzni egymástól. Ezt a jelenséget nem egyetlen fizikai erő, hanem több egymással összefüggő hatás – elsősorban az adhézió, a kohézió, a felületi feszültség és a viszkózus ellenállás – együttes fellépése okozza.[1] [2]

Az adhézió és a kohézió szerepe

A jelenség alapja az anyagi részecskék közötti vonzóerő. Az adhézió (tapadás) különböző anyagi minőségű testek érintkező felületei között fellépő vonzóerő.[3] Amikor a zsírréteg érintkezik a szilárd felülettel, a zsír molekulái és a szilárd test molekulái között elektromágneses kölcsönhatás (például Van der Waals-erők) lép fel.[4]

A kohézió ezzel szemben az azonos anyagon belüli molekulák közötti összetartó erő.[5] A zsírozott felületek esetén a zsír molekulái erősen kapaszkodnak egymáshoz. Ahhoz, hogy a két lapot szétválasszuk, vagy az adhéziós kötést kell megtörnünk a zsír és a felület között, vagy a zsírréteget kell "elszakítanunk" (kohéziós szakadás).[6]

A kapilláris hatás és a negatív nyomás

A gyakorlatban a legmeghatározóbb erő, amely a lapokat összetartja, a folyadékfilm szélén kialakuló felületi feszültség és az ebből adódó kapilláris nyomás.[7] Amikor a két lap között vékony folyadékréteg van, a folyadék széle konkáv (befelé görbülő) meniszkuszt alkot. A felületi feszültség miatt a folyadék belsejében a külső légköri nyomásnál alacsonyabb nyomás alakul ki.[8]

A nyomáskülönbséget a Young-Laplace egyenlet írja le: $$\mathrm{\Delta }P=\gamma (\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2})$$ ahol $\gamma$ a felületi feszültség, $R_1$ és $R_2$ pedig a folyadékfelszín görbületi sugarai.[9] Mivel a réteg nagyon vékony, a görbületi sugár kicsi, ami jelentős negatív nyomást (szívóhatást) eredményez a lapok között. A külső légnyomás tehát valójában egymáshoz préseli a lapokat, mert belül kisebb a nyomás.[10]

Viszkózus ellenállás (Stefan-féle tapadás)

Amikor megpróbáljuk gyorsan széthúzni a lapokat, a viszkozitás (belső súrlódás) válik a meghatározóvá. Ahhoz, hogy a lapok eltávolodjanak, a környező levegőnek vagy a maradék kenőanyagnak be kell áramlania a növekvő résbe.[11] A zsír nagy viszkozitása miatt ez a folyamat lassú és nagy erőt igényel. Ezt a dinamikus ellenállást gyakran Stefan-tapadásnak nevezik, Josef Stefan osztrák fizikus után, aki leírta a két korong közötti viszkózus folyadékréteg szétválasztásához szükséges erőt:[12] $$F=\frac{3\pi \eta R^4}{2h^3}\frac{dh}{dt}$$ ahol $\eta$ a viszkozitás, $R$ a lapok sugara, $h$ a távolság, és $\frac{dh}{dt}$ a távolítás sebessége. Látható, hogy a távolság ($h$) harmadik hatványával fordítottan arányos az erő, tehát rendkívül vékony rétegnél az ellenállás óriási.[13]

Gyakorlati alkalmazások: A mérőhasábok esete

A gépiparban ezt a jelenséget tudatosan használják a mérőhasábok (Joansson-hasábok) esetében. A rendkívül pontosan síkolt acélhasábokat egy vékony olajfilmmel "összesimítják" (angolul: wringing).[14] Itt a molekuláris vonzóerők és a légnyomás együttesen olyan stabil kötést hoznak létre, hogy a hasábok akár több kilogrammnyi súlyt is képesek megtartani anélkül, hogy szétválnának.[15]