Исследование показало что трение может ослабевать при увеличении нагрузки вопреки закону 300-летней давности

Исследователи из Констанцского университета совершили прорыв в понимании природы трения, экспериментально доказав, что один из старейших законов физики может не работать в определенных условиях.

В своей работе, опубликованной в журнале Nature Materials, ученые описали новый механизм «бесконтактного трения», возникающего исключительно за счет коллективной динамики магнитных моментов, и продемонстрировали, что оно не подчиняется закону Амонтона, которому уже более 300 лет.

Закон Амонтона, основанный на повседневном опыте, гласит, что сила трения напрямую зависит от нагрузки: тяжелый шкаф сдвинуть с места гораздо сложнее, чем легкий стул. Эта зависимость объясняется микроскопическими деформациями соприкасающихся поверхностей: чем выше нагрузка, тем больше точек контакта и тем выше трение.

Однако классическая ситуация подразумевает, что эти деформации не меняют внутреннюю структуру материалов. Ученые из Констанца задались вопросом, сохранится ли этот закон, если само скольжение будет вызывать сильную внутреннюю перестройку, как это происходит в магнитных материалах.

Для проверки гипотезы команда создала настольный эксперимент с использованием двух слоев магнитных элементов. Верхний слой представлял собой двумерную решетку свободно вращающихся маленьких магнитов, которые двигались над нижним фиксированным магнитным слоем. Физического контакта между слоями не было, однако их магнитная связь создавала измеримую силу трения. Изменяя расстояние между слоями, ученые могли плавно регулировать эффективную нагрузку и наблюдать за тем, как меняется внутренняя магнитная конфигурация системы во время движения.

Результаты эксперимента оказались сенсационными и полностью противоречащими закону Амонтона. Сила трения оказалась минимальной как при очень маленьком, так и при очень большом расстоянии между слоями. Однако на промежуточных дистанциях возникал ярко выраженный пик трения.

В этой зоне начинают доминировать конкурирующие взаимодействия: верхний слой магнитов стремится к антипараллельной ориентации, в то время как нижний слой «навязывает» параллельное расположение. Эта несовместимость вынуждает систему переходить в динамически нестабильное состояние. Когда слои начинают скользить относительно друг друга, магниты вынуждены постоянно и хаотично переключаться между этими несовместимыми состояниями. Такое гистерезисное поведение, при котором текущее состояние системы зависит от ее истории, приводит к интенсивному рассеиванию энергии и, как следствие, к резкому росту трения.

«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 процесса. Руководитель проекта Клеменс Бехингер добавляет: «Что замечательно, так это то, что трение здесь возникает исключительно из-за внутренней реорганизации. Здесь нет износа, нет шероховатости поверхности и нет прямого контакта. Диссипация создается исключительно коллективными магнитными перестройками».

Ученые подчеркивают, что лежащая в основе этого явления физика не имеет масштаба, поэтому результаты эксперимента выходят далеко за пределы лабораторной макромодели. Похожие эффекты можно ожидать в атомарно тонких магнитных материалах, где даже незначительные механические смещения способны менять магнитный порядок. Это открывает новые перспективы для изучения и контроля магнетизма с помощью измерений трения.

В долгосрочной перспективе работа указывает на возможность создания регулируемых интерфейсов трения без износа. Используя магнитный гистерезис, трением можно будет управлять дистанционно и обратимо, что позволит создавать «метаматериалы трения», адаптивные демпферы или бесконтактные элементы управления. Потенциальные приложения простираются от микро- и наноэлектромеханических систем, где износ ограничивает срок службы устройств, до магнитных подшипников, систем виброизоляции и атомарно тонких магнитов.