Магнитные взаимодействия выявили исключение из 300-летнего закона трения

Фото из открытых источников

Взаимосвязь между трением и нагрузкой, установленная три столетия назад, имеет исключение, когда взаимодействие вызывает переориентацию магнитных полей. Это открытие не избавит нас от проблем при перемещении мебели, но может оказаться полезным при разработке современных материалов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

В 1699 году французский физик Гийом Амонтон математически сформулировал то, что ранее люди понимали лишь интуитивно: чем тяжелее предмет, тем большую силу трения необходимо преодолеть, чтобы его переместить, при условии, что поверхности одинаковы.

Идея о том, что сила трения пропорциональна нагрузке, была отмечена за столетия до этого Леонардо да Винчи, но осталась незамеченной в масштабах его гениальности. Второй закон трения Амонтона — это гораздо менее интуитивно понятное наблюдение, что сила трения не зависит от площади контакта между объектом и поверхностью, по которой он движется.

Почти столетие спустя Шарль-Огюстен де Кулон обнаружил некоторые исключения из этих законов, но тем не менее доказал их и добавил третье, обеспечив их совместное включение в научный канон. Однако теперь обнаружено новое исключение, возникающее при взаимодействии двух магнитных слоев, что приводит к возникновению между ними силы трения.

Традиционное трение, о котором говорил Амонтон, понимается как результат того, что твердые объекты не являются идеально гладкими. Когда объект движется по поверхности, шероховатость одной поверхности сталкивается с другой, ограничивая их относительное движение. Чем тяжелее объект, тем больше выступов на его поверхности соприкасаются с поверхностью под ним, увеличивая силу, необходимую для его перемещения.

Однако всё это происходит в месте физического контакта двух объектов, но доктор Хонгри Гу из Университета Констанца в Германии и его коллеги решили проверить, насколько хорошо первый закон термодинамики работает, когда трение создаётся магнитным полем.

В своем эксперименте команда создала два магнитных слоя, верхний из которых состоял из цилиндрических магнитов, оси которых были параллельны плоскости нижнего слоя. Представьте их как набор нефтяных бочек на горизонтальных вертелах. Магниты верхнего слоя могли вращаться, тогда как аналогичные магниты нижнего слоя были зафиксированы и не могли вращаться.

Два слоя никогда не соприкасались, удерживаясь на расстоянии друг от друга за счет магнитного отталкивания, но трение возникало из-за взаимодействия их полей, когда один из них скользил по другому. Чем меньше расстояние между двумя магнитами, тем сильнее сила взаимодействия между ними и, следовательно, тем больше нагрузка, эквивалентная увеличению веса объекта, перемещаемого по шероховатому полу.

«Изменяя расстояние между магнитными слоями, мы могли бы привести систему в режим конкурирующих взаимодействий, при котором роторы постоянно перестраиваются по мере скольжения», — говорится в заявлении Гу. 

Когда два элемента находились далеко друг от друга, их сближение увеличивало трение в соответствии с законом Амонтона. Однако со временем эффект изменился на противоположный, и после определенного момента сближение элементов фактически привело к ослаблению силы трения.

Авторы приходят к выводу, что это произошло потому, что взаимодействие между двумя магнитами изменило ориентацию магнитов в верхнем слое. Магниты в верхнем слое подвергались воздействию смешанных сил, некоторые из которых толкали их в другом направлении, а другие заставляли их выравниваться. Вблизи критического расстояния магниты переключались между ориентациями по мере движения. Их направление зависело не только от окружающих сил, но и от их предыдущего выравнивания. 

При переориентации магнитов в этой системе происходит рассеивание энергии. Это приводит к тому, что трение достигает максимума на промежуточном расстоянии, которое для данной конструкции составляло 8,5 миллиметра. Когда расстояние между двумя магнитами достигало 6,5 мм, магниты выравнивались, что приводило к снижению трения, несмотря на большую нагрузку. 

«С теоретической точки зрения эта система примечательна тем, что трение возникает не из-за физического контакта поверхностей, а из-за коллективной динамики магнитных моментов», — сказал Антон Людерс, представивший теоретическое описание происходящего.

«Примечательно, что трение здесь возникает исключительно за счет внутренней реорганизации, — сказал руководитель проекта профессор Клеменс Бехингер. — Нет износа, шероховатости поверхности и прямого контакта. Рассеивание энергии происходит исключительно за счет коллективных магнитных перестроек».

Пример может показаться довольно специфическим, и некоторые могут усомниться в том, следует ли называть наблюдаемую силу трением, когда два предмета не соприкасаются. Однако авторы отмечают, что аналогичные результаты ожидаются и с магнитными материалами, толщиной всего в один атом, и они могут оказаться полезными для управления магнетизмом.

В конечном итоге исследователи надеются получить возможность регулировать трение между поверхностями без их износа. Авторы видят ценность в создании «метаматериалов трения», которые они определяют как «сконструированные поверхности, рассеивающие энергию программируемым образом».