Открыт новый тип трения без контакта: магнитные силы нарушают 300-летний закон

Схема двух магнитных слоёв из постоянных магнитов. Магниты в верхнем слое могут свободно вращаться, а в нижнем — зафиксированы. При движении слоёв относительно друг друга верхние магниты периодически меняют ориентацию, рассеивая энергию и создавая бесконтактное трение. Уменьшение расстояния между слоями, которое контролирует эффективную нагрузку, не приводит к монотонному росту трения, что противоречит закону Амонтона. Автор: Хонгри Гу.

Исследователи из Констанцского университета обнаружили совершенно новый тип скользящего трения. В этом случае сопротивление движению возникает без какого-либо физического контакта, являясь результатом коллективного поведения магнитных элементов. Их результаты показывают, что трение не всегда плавно возрастает с нагрузкой, как описано законом Амонтона — одним из старейших и наиболее общепринятых эмпирических законов в физике, — но может достигать явного пика, когда магнитное упорядочивание внутри системы становится «фрустрированным» (неустойчивым).

Более 300 лет закон Амонтона напрямую связывал трение с силой, прижимающей две поверхности друг к другу. Это соответствует повседневному опыту, когда более тяжёлые объекты труднее сдвинуть, чем лёгкие. Обычное объяснение заключается в том, 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 не работать в системах, где движение вызывает серьёзные внутренние изменения. Магнитные материалы — ключевой пример, поскольку движение может перестраивать их внутренний магнитный порядок.

Бесконтактный магнитный эксперимент

Чтобы исследовать эту возможность, учёные создали настольный эксперимент с двумерным массивом свободно вращающихся магнитных элементов, расположенных над вторым магнитным слоем. Несмотря на то что два слоя никогда не соприкасаются физически, их магнитное взаимодействие всё равно создаёт измеримую силу трения.

Регулируя расстояние между слоями, команда смогла контролировать эффективную нагрузку, одновременно наблюдая за изменением магнитной структуры во время движения.

«Изменяя расстояние между магнитными слоями, мы могли перевести систему в режим конкурирующих взаимодействий, где роторы постоянно реорганизуются по мере скольжения», — говорит Хонгри Гу, проводивший эксперименты.

Магнитный конфликт создаёт пик трения

Результаты выявили неожиданную закономерность. Трение минимально, когда слои находятся либо очень близко друг к другу, либо далеко друг от друга. Однако на промежуточных расстояниях трение резко возрастает.

Этот эффект возникает из-за конкурирующих магнитных предпочтений. Верхний слой стремится выстроить свои магнитные моменты в антипараллельной конфигурации (параллельно, но направленными в противоположные стороны), в то время как нижний слой предпочитает параллельное расположение. Эти конфликтующие тенденции заставляют систему переходить в нестабильное состояние.

По мере движения слоёв магниты многократно переключаются между этими несовместимыми конфигурациями гистерезисным образом (то есть текущее состояние зависит от его предыдущей истории). Это постоянное переключение увеличивает потери энергии и создаёт выраженный пик трения.

Новое объяснение трения без поверхностей

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

Конкурирующие магнитные взаимодействия естественным образом вызывают повторные изменения ориентации во время движения, что приводит к силе трения, которая изменяется не простым линейным образом с нагрузкой. Нарушение закона Амонтона в данном случае не является исключением, а напрямую следует из поведения магнитного упорядочивания при скольжении.

«Замечательно то, что трение здесь возникает полностью за счёт внутренней реорганизации, — добавляет Клеменс Бехингер, курировавший проект. — Здесь нет износа, шероховатости поверхности и прямого контакта. Рассеяние энергии генерируется исключительно коллективными магнитными перестройками».

Будущие применения бесконтактного магнитного трения

Поскольку лежащая в основе физика не зависит от масштаба, эти выводы могут быть применимы далеко за пределами экспериментальной установки. Подобные эффекты могут возникать в атомарно тонких магнитных материалах, где даже небольшие движения могут изменить магнитный порядок. Это открывает новые способы изучения и контроля магнетизма с помощью измерений трения.

В перспективе исследование предполагает возможность создания трения, которым можно управлять без физического износа. Используя магнитный гистерезис, может стать возможным дистанционно и обратимо регулировать трение. Это может привести к созданию таких технологий, как фрикционные метаматериалы, адаптивные демпфирующие системы и бесконтактные управляющие компоненты.

Потенциальные области применения включают микро- и наноэлектромеханические системы, где износ ограничивает срок службы устройств, а также магнитные подшипники, системы виброизоляции и ультратонкие магнитные материалы, где движение и магнетизм тесно связаны. В более широком смысле магнитное трение предоставляет новый способ изучения коллективного поведения спинов с помощью механических измерений, по-новому связывая области трибологии и магнетизма.