Καθώς δύο μαγνητικά στρώματα ολισθαίνουν, οι εσωτερικές τους δυνάμεις ανταγωνίζονται, προκαλώντας συνεχείς αναδιατάξεις που αυξάνουν δραματικά την αντίσταση σε ορισμένες αποστάσεις. Αυτό δημιουργεί μια αναπάντεχη κορύφωση στην τριβή αντί για μια σταθερή άνοδο, καταρρίπτοντας έναν παραδεδεγμένο νόμο της φυσικής.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Κωνσταντίας (Konstanz) εντόπισαν έναν εντελώς νέο τύπο τριβής ολίσθησης. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίσταση στην κίνηση εμφανίζεται χωρίς καμία φυσική επαφή, προκύπτοντας αντίθετα από τη συλλογική συμπεριφορά μαγνητικών στοιχείων.
Τα ευρήματά τους δείχνουν ότι η τριβή δεν αυξάνεται πάντα σταθερά με το φορτίο, όπως περιγράφεται από τον νόμο του Amontons — έναν από τους παλαιότερους και ευρύτερα αποδεκτούς εμπειρικούς νόμους στη φυσική — αλλά μπορεί να φτάσει σε μια σαφή κορύφωση όταν η μαγνητική διάταξη στο εσωτερικό του συστήματος “εγκλωβίζεται”.
Για περισσότερα από 300 χρόνια, ο νόμος του Amontons συνδέει την τριβή απευθείας με το πόση δύναμη πιέζει δύο επιφάνειες μεταξύ τους.
Ο νόμος του Amontons και οι εξαιρέσεις στα μαγνητικά συστήματα
Αυτό ταιριάζει με την καθημερινή εμπειρία, όπου τα βαρύτερα αντικείμενα μετακινούνται πιο δύσκολα από τα ελαφρύτερα. Η συνήθης εξήγηση είναι ότι οι επιφάνειες παραμορφώνονται ελαφρώς υπό πίεση, δημιουργώντας περισσότερα μικροσκοπικά σημεία επαφής που αυξάνουν την αντίσταση.
Στα περισσότερα παραδοσιακά συστήματα, αυτές οι παραμορφώσεις είναι μικρές και δεν μεταβάλλουν σημαντικά την εσωτερική δομή των υλικών κατά την κίνηση.
Ωστόσο, αυτή η υπόθεση ενδέχεται να μην ισχύει σε συστήματα όπου η κίνηση πυροδοτεί μεγάλες εσωτερικές αλλαγές. Τα μαγνητικά υλικά αποτελούν βασικό παράδειγμα, καθώς η κίνηση μπορεί να αναδιατάξει την εσωτερική μαγνητική τους δομή.
Ένα μαγνητικό πείραμα χωρίς επαφή
Για να διερευνήσουν αυτή την πιθανότητα, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα πείραμα εργαστηρίου με μια δισδιάστατη διάταξη ελεύθερα περιστρεφόμενων μαγνητικών στοιχείων, τοποθετημένη πάνω από ένα δεύτερο μαγνητικό στρώμα.
Παρόλο που τα δύο στρώματα δεν έρχονται ποτέ σε φυσική επαφή, η μαγνητική τους αλληλεπίδραση παράγει παρ’ όλα αυτά μια μετρήσιμη δύναμη τριβής. Ρυθμίζοντας την απόσταση μεταξύ των στρωμάτων, η ομάδα μπόρεσε να ελέγξει το δραστικό φορτίο, παρατηρώντας ταυτόχρονα άμεσα πώς άλλαζε η μαγνητική δομή κατά τη διάρκεια της κίνησης.
«Μεταβάλλοντας την απόσταση μεταξύ των μαγνητικών στρωμάτων, θα μπορούσαμε να οδηγήσουμε το σύστημα σε ένα καθεστώς αντικρουόμενων αλληλεπιδράσεων, όπου οι ρότορες αναδιοργανώνονται συνεχώς καθώς ολισθαίνουν», λέει ο Hongri Gu, ο οποίος πραγματοποίησε τα πειράματα.
Η μαγνητική σύγκρουση δημιουργεί κορύφωση στην τριβή
Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ένα απροσδόκητο μοτίβο. Η τριβή είναι χαμηλότερη όταν τα στρώματα βρίσκονται είτε πολύ κοντά το ένα στο άλλο είτε σε μεγάλη απόσταση. Σε ενδιάμεσες αποστάσεις, ωστόσο, η τριβή αυξάνεται απότομα.
Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω αντικρουόμενων μαγνητικών προτιμήσεων. Το επάνω στρώμα τείνει να ευθυγραμμίζει τις μαγνητικές του ροπές σε μια αντιπαράλληλη διάταξη (παράλληλες, αλλά με αντίθετη κατεύθυνση), ενώ το κάτω στρώμα προτιμά μια παράλληλη διάταξη.
Αυτές οι συγκρουόμενες τάσεις εξαναγκάζουν το σύστημα σε μια ασταθή κατάσταση. Καθώς τα στρώματα κινούνται, οι μαγνήτες αλλάζουν επανειλημμένα μεταξύ αυτών των ασύμβατων διαμορφώσεων με υστερητικό τρόπο (δηλαδή, η τρέχουσα κατάσταση εξαρτάται από το ιστορικό της).
Αυτή η συνεχής εναλλαγή αυξάνει την απώλεια ενέργειας και παράγει μια έντονη κορύφωση στην τριβή.
Μια νέα εξήγηση για την τριβή χωρίς επιφάνειες
«Από θεωρητική σκοπιά, αυτό το σύστημα είναι αξιοσημείωτο επειδή η τριβή δεν προέρχεται από μια φυσική επαφή επιφανειών, αλλά από τη συλλογική δυναμική των μαγνητικών ροπών», εξηγεί ο Anton Lüders, ο οποίος ανέπτυξε τη θεωρητική περιγραφή.
Οι αντικρουόμενες μαγνητικές αλληλεπιδράσεις προκαλούν φυσιολογικά επαναλαμβανόμενους επαναπροσανατολισμούς κατά την κίνηση, οδηγώντας σε μια δύναμη τριβής που δεν μεταβάλλεται με απλό γραμμικό τρόπο σε σχέση με το φορτίο.
Αντί να αποτελεί εξαίρεση, η κατάρριψη του νόμου του Amontons σε αυτή την περίπτωση απορρέει άμεσα από τη συμπεριφορά της μαγνητικής διάταξης κατά την ολίσθηση. «Το αξιοσημείωτο είναι ότι η τριβή εδώ προκύπτει εξ ολοκλήρου από την εσωτερική αναδιοργάνωση», προσθέτει ο Clemens Bechinger, ο οποίος επέβλεψε το έργο.
«Δεν υπάρχει φθορά, ούτε τραχύτητα επιφάνειας, ούτε άμεση επαφή. Η διάχυση ενέργειας παράγεται αποκλειστικά από συλλογικές μαγνητικές αναδιατάξεις».
Μελλοντικές εφαρμογές της μαγνητικής τριβής χωρίς επαφή
Επειδή η υποκείμενη φυσική δεν εξαρτάται από την κλίμακα, αυτά τα ευρήματα θα μπορούσαν να εφαρμοστούν πολύ πέρα από την πειραματική διάταξη. Παρόμοια φαινόμενα ενδέχεται να εμφανιστούν σε μαγνητικά υλικά ατομικού πάχους, όπου ακόμη και μικρές κινήσεις μπορούν να μεταβάλουν τη μαγνητική διάταξη.
Αυτό ανοίγει νέους τρόπους για τη μελέτη και τον έλεγχο του μαγνητισμού μέσω μετρήσεων τριβής. Κοιτάζοντας μπροστά, η έρευνα υποδηλώνει την πιθανότητα μιας τριβής που μπορεί να ρυθμιστεί χωρίς φυσική φθορά.
Χρησιμοποιώντας τη μαγνητική υστέρηση, ίσως καταστεί εφικτό να προσαρμόζεται η τριβή εξ αποστάσεως και αναστρέψιμα. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε τεχνολογίες όπως τα “τριβικά μεταϋλικά” (frictional metamaterials), τα συστήματα προσαρμοστικής απόσβεσης και τα εξαρτήματα ελέγχου χωρίς επαφή.
Οι πιθανές χρήσεις περιλαμβάνουν μικρο- και νανο-ηλεκτρομηχανικά συστήματα, όπου η φθορά περιορίζει τη διάρκεια ζωής των συσκευών, καθώς και μαγνητικά έδρανα, συστήματα απομόνωσης κραδασμών και εξαιρετικά λεπτά μαγνητικά υλικά όπου η κίνηση και ο μαγνητισμός συνδέονται στενά.
Ευρύτερα, η μαγνητική τριβή παρέχει έναν νέο τρόπο μελέτης της συλλογικής συμπεριφοράς του σπιν μέσω μηχανικών μετρήσεων, συνδέοντας τα πεδία της τριβολογίας και του μαγνητισμού με έναν πρωτόγνωρο τρόπο.
