Фізики відкрили магнітний механізм, що ставить під сумнів 300-річний закон тертя

Вчені з університету Констанца відкрили новий тип тертя, який виникає без фізичного контакту поверхонь, а формується завдяки колективній динаміці магнітних моментів. Результати дослідження показують, що сила тертя не завжди зростає зі збільшенням навантаження, як передбачає закон Амонтона, а може досягати піку, коли магнітний порядок у системі стає нестабільним.

Протягом понад 300 років закон Амонтона пояснював, що чим більша вага предмета, тим важче його пересунути. Це пов’язували з мікроскопічними деформаціями поверхні під навантаженням. Однак у випадку магнітних матеріалів рух може змінювати внутрішній порядок, що ставить під сумнів універсальність цього закону.

Щоб перевірити це, дослідники створили експеримент із двома магнітними шарами, які не торкалися один одного. Їхня взаємодія все одно створювала вимірювану силу тертя. При зміні відстані між шарами виникали конфліктні магнітні взаємодії: верхній шар прагнув антипаралельного вирівнювання моментів, тоді як нижній — паралельного. Це призводило до нестабільності та повторних перебудов магнітного порядку, що викликало пікове зростання тертя.

Схематичне зображення двох магнітних шарів, що складаються з постійних магнітів. Магніти у верхньому шарі можуть вільно обертатися, тоді як магніти у нижньому шарі зафіксовані. Коли шари переміщуються один відносно одного, верхні магніти періодично змінюють орієнтацію, розсіюючи енергію та створюючи безконтактне тертя. При зменшенні відстані між шарами, що визначає ефективне навантаження, тертя не зростає монотонно, на відміну від передбачень закону Амонтона. Джерело: Хонгрі Гу

Науковці наголошують, що тертя у цьому випадку виникає без зношування чи шорсткості поверхні — лише через внутрішні магнітні перебудови. Такий ефект може проявлятися і в надтонких магнітних матеріалах, відкриваючи нові можливості для керування магнетизмом через вимірювання тертя.

Перспективні застосування включають мікро- та наноелектромеханічні системи, де зношування обмежує ефективність, а також магнітні підшипники, системи гасіння вібрацій та адаптивні технології безконтактного керування. Дослідження, опубліковане в журналі Nature Mate­ri­als, демонструє новий зв’язок між трибологією та фізикою магнетизму.