Учені виявили безконтактне тертя: 300-річний закон фізики порушено

Вчені з Університету Констанца (Німеччина) виявили абсолютно новий тип ковзного тертя. Під час ковзання двох магнітних шарів їхні внутрішні сили конкурують, викликаючи постійні перебудови, які різко збільшують опір на певних відстанях. Це створює несподіваний пік тертя замість рівномірного зростання, порушуючи закон Амонтона. Опір руху виникає без будь-якого фізичного контакту, а обумовлений колективною поведінкою магнітних елементів, пише Фокус.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Понад 300 років закон Амонтона безпосередньо пов'язує тертя із силою, що притискає дві поверхні одна до одної. Кожен з нас стикався з тим, що важчі об'єкти важче переміщати, ніж легші. Зазвичай це пояснюється тим, що поверхні злегка деформуються під тиском, створюючи більше мікроскопічних точок контакту, які збільшують опір.

У більшості традиційних систем ці деформації незначні і не сильно змінюють внутрішню структуру матеріалів під час руху. Однак це припущення може бути невірним у системах, де рух спричиняє значні внутрішні зміни. Наприклад, це стосується магнітних матеріалів, оскільки рух може перебудовувати їхній внутрішній магнітний порядок.

Учені розробили експеримент із двома шарами з постійних магнітів. Верхній шар магнітних елементів вільно обертається, а нижній шар залишається нерухомим. Хоча два магнітних шари ніколи фізично не стикаються, їхня магнітна взаємодія все ж таки створює вимірну силу тертя. Регулюючи відстань між магнітними шарами, вчені змогли контролювати навантаження і спостерігати за зміною магнітної структури під час руху.

Експеримент допоміг виявити несподівану закономірність. Тертя мінімальне, коли магнітні шари розташовані або дуже близько один до одного, або на значній відстані. Однак на проміжних відстанях тертя різко зростає. Цей ефект виникає через конкуруючі магнітні переваги. Верхній шар прагне розташувати свої магнітні моменти в антипаралельній конфігурації, тоді як нижній шар віддає перевагу паралельному розташуванню. Ці протиріччя приводять систему в нестабільний стан.

У міру руху шарів магніти багаторазово перемикаються між цими несумісними конфігураціями. Це постійне перемикання збільшує втрати енергії і призводить до вираженого піку тертя.

Коли магнітні шари рухаються відносно один одного, верхні магніти періодично переорієнтуються, розсіюючи енергію і викликаючи безконтактне тертя. При зменшенні відстані між шарами тертя не зростає рівномірно, на відміну від передбачення закону Амонтона.

Вчені кажуть, що тертя виникає не через фізичний контакт поверхонь, а через колективну динаміку магнітних моментів. Порушення закону Амонтона в цьому разі випливає з поведінки магнітного порядку під час ковзання.

Це відкриття дає можливість для вивчення та управління магнетизмом за допомогою вимірювань тертя. У перспективі дослідження пропонує можливість регулювання тертя без фізичного зносу. Може стати можливим дистанційне та оборотне регулювання тертя. Це може призвести до створення нових технологій. Потенційні сфери їхнього застосування включають мікро- і наноелектромеханічні системи, де зношування обмежує термін служби пристроїв, а також магнітні підшипники, системи віброізоляції та надтонкі магнітні матеріали, де рух і магнетизм тісно пов'язані.

Як уже писав Фокус, вчені створили магніт, який поміщається в руці, але в мільйон разів сильніший за магнітне поле Землі.

Також Фокус писав про те, що у російського космічного корабля виникли проблеми після запуску до МКС.

Під час написання матеріалу використано джерела: Science Daily, Nature Materials, University of Konstanz.