Открит е нов вид безконтактно триене: магнитните сили нарушават 300-годишен закон

Изследователи от Университета в Констанц откриха напълно нов вид плъзгащо триене. В този случай съпротивлението срещу движението възниква без какъвто и да е физически контакт, като резултат от колективното поведение на магнитни елементи. Резултатите показват, че триенето не винаги нараства плавно с натоварването, както е описано в закона на Амонтон (един от най-старите и най-широко приети емпирични закони във физиката), а може да достигне явен пик, когато магнитното подреждане вътре в системата стане „фрустрирано“ (нестабилно).

Повече от 300 години законът на Амонтон пряко свързваше триенето със силата, притискаща две повърхности една към друга. Това съответства на ежедневния опит, където по-тежките обекти са по-трудни за преместване от леките. Обичайното обяснение е, че повърхностите леко се деформират под налягане, създавайки повече микроскопични точки на контакт, които увеличават съпротивлението.

В повечето традиционни системи тези деформации са незначителни и не променят значително вътрешната структура на материалите по време на движение. Това предположение обаче може да не важи за системи, в които движението предизвиква сериозни вътрешни промени. Магнитните материали са ключов пример, тъй като движението може да пренареди вътрешния им магнитен ред.

Безконтактен магнитен експеримент

За да проучат тази възможност, учените проведоха лабораторен експеримент с двуизмерна решетка от свободно въртящи се магнитни елементи, разположени над втори магнитен слой. Въпреки че двата слоя никога не се допират физически, тяхното магнитно взаимодействие все пак създава измерима сила на триене.

Чрез регулиране на разстоянието между слоевете екипът успя да контролира ефективното натоварване, като едновременно с това наблюдаваше промяната в магнитната структура по време на движението.

„Като променяме разстоянието между магнитните слоеве, успяхме да преведем системата в режим на конкуриращи взаимодействия, при който роторите постоянно се прегрупират по време на плъзгането. Магнитният конфликт създава пик на триенето.“

казва Хонгри Гу, който проведе експериментите.

Магнитният конфликт създава пик на триенето

Резултатите разкриха неочаквана закономерност. Триенето е минимално, когато слоевете са или много близо един до друг, или далеч един от друг. При средни разстояния обаче триенето рязко се увеличава.

Този ефект възниква поражда противоречащи си магнитни предпочитания. Горният слой се стреми да подреди своите магнитни моменти в антипаралелна конфигурация (паралелни, но насочени в противоположни посоки), докато долният слой предпочита паралелно разположение. Тези конфликтни тенденции принуждават системата да преминава в нестабилно състояние.

С движението на слоевете магнитите многократно превключват между тези несъвместими конфигурации по хистерезисен начин (т.е. текущото състояние зависи от предишната му история). Това постоянно превключване увеличава загубите на енергия и създава изразен пик на триене.

Ново обяснение на триенето без повърхности

„От теоретична гледна точка тази система е интересна с това, че триенето възниква не поради физически контакт между повърхностите, а поради колективната динамика на магнитните моменти.“

обяснява Антон Людерс, който е разработил теоретичното описание

Конкурентните магнитни взаимодействия естествено предизвикват повтарящи се промени в ориентацията по време на движението, което води до сила на триене, която не се променя по прост линеен начин с натоварването. Нарушението на закона на Амонтон в този случай не е изключение, а произтича пряко от поведението на магнитното подреждане при плъзгане.

„Забележително е, че триенето тук възниква изцяло за сметка на вътрешна реорганизация. Тук няма износване, грапавост на повърхността и пряк контакт. Разсейването на енергията се генерира изключително от колективни магнитни преустройства.“

добавя Клеменс Бехингер, ръководител на проекта

Бъдещи приложения на безконтактното магнитно триене

Тъй като основната физика не зависи от мащаба, тези заключения могат да бъдат приложими далеч извън границите на експерименталната установка. Подобни ефекти могат да възникват в атомно тънки магнитни материали, където дори малки движения могат да променят магнитния ред. Това открива нови начини за изучаване и контрол на магнетизма чрез измерване на триенето.

В перспектива изследването предполага възможността за създаване на триене, което може да се управлява без физическо износване. Използвайки магнитен хистерезис, в бъдеще може да стане възможно дистанционно и обратимо регулиране на триенето. Това може да доведе до създаването на технологии като фрикционни метаматериали, адаптивни амортизиращи системи и безконтактни управляващи компоненти.

Потенциалните области на приложение включват микро и наноелектромеханични системи, където износът ограничава експлоатационния срок на устройствата, както и магнитни лагери, системи за виброизолация и ултратънки магнитни материали, където движението и магнетизмът са тясно свързани. В по-широк смисъл магнитното триене предоставя нов начин за изучаване на колективното поведение на спиновете чрез механични измервания, свързвайки по нов начин областите на трибологията и магнетизма.