Ученые обнаружили бесконтактное трение: 300-летний закон физики нарушен

Ученые из Университета Констанца (Германия) обнаружили совершенно новый тип скользящего трения. При скольжении двух магнитных слоев их внутренние силы конкурируют, вызывая постоянные перестройки, которые резко увеличивают сопротивление на определенных расстояниях. Это создает неожиданный пик трения вместо равномерного роста, нарушая закон Амонтона. Сопротивление движению возникает без какого-либо физического контакта, а обусловлено коллективным поведением магнитных элементов, пишет Фокус.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Более 300 лет закон Амонтона напрямую связывает трение с силой, прижимающей две поверхности друг к другу. Каждый из нас сталкивался с тем, что более тяжелые объекты труднее перемещать, чем более легкие. Обычно это объясняется тем, что поверхности слегка деформируются под давлением, создавая больше микроскопических точек контакта, которые увеличивают сопротивление.

В большинстве традиционных систем эти деформации незначительны и не сильно изменяют внутреннюю структуру материалов во время движения. Однако это предположение может быть неверным в системах, где движение вызывает значительные внутренние изменения. Например, это касается магнитных материалов, поскольку движение может перестраивать их внутренний магнитный порядок.

Ученые разработали эксперимент с двумя слоями из постоянных магнитов. Верхний слой магнитных элементов свободно вращается, а нижний слой остается неподвижным. Хотя два магнитных слоя никогда физически не соприкасаются, их магнитное взаимодействие все же создает измеримую силу трения. Регулируя расстояние между магнитными слоями, ученые смогли контролировать нагрузку и наблюдать за изменением магнитной структуры во время движения.

Эксперимент помог обнаружить неожиданную закономерность. Трение минимально, когда магнитные слои расположены либо очень близко друг к другу, либо на значительном расстоянии. Однако на промежуточных расстояниях трение резко возрастает. Этот эффект возникает из-за конкурирующих магнитных предпочтений. Верхний слой стремится расположить свои магнитные моменты в антипараллельной конфигурации, в то время как нижний слой предпочитает параллельное расположение. Эти противоречия приводят систему в нестабильное состояние.

По мере движения слоев магниты многократно переключаются между этими несовместимыми конфигурациями. Это постоянное переключение увеличивает потери энергии и приводит к выраженному пику трения.

Когда магнитные слои движутся относительно друг друга, верхние магниты периодически переориентируются, рассеивая энергию и вызывая бесконтактное трение. При уменьшении расстояния между слоями трение не возрастает равномерно, в отличие от предсказания закона Амонтона.

Ученые говорят, что трение возникает не из-за физического контакта поверхностей, а из-за коллективной динамики магнитных моментов. Нарушение закона Амонтона в данном случае вытекает из поведения магнитного порядка во время скольжения.

Это открытие дает возможность для изучения и управления магнетизмом с помощью измерений трения. В перспективе исследование предлагает возможность регулирования трения без физического износа. Может стать возможным дистанционное и обратимое регулирование трения. Это может привести к созданию новых технологий. Потенциальные области их применения включают микро- и наноэлектромеханические системы, где износ ограничивает срок службы устройств, а также магнитные подшипники, системы виброизоляции и сверхтонкие магнитные материалы, где движение и магнетизм тесно связаны.

Как уже писал Фокус, ученые создали магнит, который помещается в руке, но в миллион раз сильнее магнитного поля Земли.

Также Фокус писал о том, что у российского космического корабля возникли проблемы после запуска к МКС.

При написании материала использованы источники: Science Daily, Nature Materials, University of Konstanz.