Обнаруженное учёными «бесконтактное трение» опровергает закон физики 300-летней давности

Исследователи из Университета Констанца выявили совершенно новый тип трения скольжения. В данном случае сопротивление движению возникает без какого-либо физического контакта, а обусловлено коллективным поведением магнитных элементов. Их результаты показывают, что трение не всегда монотонно возрастает с нагрузкой, как это описывает закон Амонтона — один из старейших и наиболее широко признанных эмпирических законов в физике, — но может достигать явного пика, когда магнитное упорядочение внутри системы нарушается.

В течение более 300 лет закон Амонтона связывал силу трения непосредственно с величиной силы, с которой две поверхности прижимаются друг к другу. Это соответствует повседневному опыту: более тяжёлые предметы перемещать сложнее, чем лёгкие. Обычно это объясняется тем, что под давлением поверхности слегка деформируются, что приводит к увеличению количества микроскопических точек контакта, которые повышают сопротивление.

В большинстве традиционных систем эти деформации незначительны и не изменяют существенно внутреннюю структуру материалов во время движения. Тем не менее это предположение может не выполняться в системах, где движение вызывает серьёзные внутренние изменения. Магнитные материалы являются ключевым примером, поскольку движение способно менять их внутренний магнитный порядок.

Чтобы изучить эту возможность, исследователи разработали настольный эксперимент с двумерной решёткой свободно вращающихся магнитных элементов, расположенных над вторым магнитным слоем. Хотя эти два слоя физически не соприкасаются, их магнитное взаимодействие всё же порождает измеримую силу трения.

Регулируя расстояние между слоями, команда смогла контролировать эффективную нагрузку и одновременно непосредственно наблюдать, как меняется магнитная формат во время движения.

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

Этот эффект возникает из-за конкурирующих магнитных конфигураций. Верхний слой стремится выстроить свои магнитные моменты в антипараллельной конфигурации (то есть параллельно, но в противоположных направлениях), в то время как нижний слой предпочитает параллельное расположение. Эти противоречивые тенденции приводят систему в нестабильное состояние.

По ходу перемещения слоёв магниты многократно переключаются между этими несовместимыми конфигурациями, демонстрируя гистерезис (зависимость текущего состояния от предыдущего). Такое постоянное переключение увеличивает потери энергии и приводит к появлению выраженного пика трения.

Противоборствующие магнитные взаимодействия естественным образом вызывают повторные переориентации во время движения, что приводит к силе трения, которая не изменяется линейно с нагрузкой. Нарушение закона Амонтона в данном случае является не исключением, а прямым следствием поведения магнитного упорядочения при скольжении.