Исследователи из Констанцского университета описали ранее неизвестный механизм сухого трения, возникающий при отсутствии физического контакта между поверхностями. Сопротивление движению в этой системе обусловлено коллективным поведением магнитных элементов, а не механическим взаимодействием микроскопических неровностей. Полученные данные указывают на нарушение закона Амонтона – одного из старейших эмпирических правил физики, согласно которому сила трения растет прямо пропорционально нагрузке.
На протяжении более трехсот лет закон Амонтона объяснял сопротивление материалов их деформацией под давлением: чем сильнее прижаты поверхности друг к другу, тем больше точек контакта образуется на микроуровне. В большинстве классических систем эти изменения не затрагивают внутреннюю структуру тел. Однако в магнитных материалах перемещение может вызывать масштабную перестройку внутреннего порядка, что меняет фундаментальные принципы трения.
Для изучения этого процесса физики разработали экспериментальную установку, состоящую из двухмерного массива свободно вращающихся магнитных роторов, расположенных над вторым магнитным слоем. Слои никогда не соприкасались, но их взаимодействие создавало измеримую силу сопротивления. Изменяя расстояние между пластинами, ученые регулировали нагрузку и одновременно фиксировали изменения магнитной структуры.
Эксперимент показал, что трение минимально, когда слои находятся очень близко или далеко друг от друга. Однако на средних дистанциях сопротивление резко возрастает, достигая выраженного пика. Причиной стала магнитная фрустрация – конфликт между конкурирующими типами упорядочивания. Верхний слой стремится к антипараллельной конфигурации элементов, в то время как нижний предпочитает параллельную. Из-за этого магнитные моменты вынуждены постоянно переключаться между несовместимыми состояниями.
С точки зрения теории эта система уникальна тем, что трение возникает исключительно из-за внутренней динамики моментов, а не из-за шероховатости поверхности. Диссипация энергии происходит в результате гистерезиса: текущее состояние магнитов зависит от их предыдущего положения, что приводит к потерям при каждом шаге движения. Ученые подчеркивают, что в такой модели отсутствует механический износ, а сопротивление полностью определяется коллективными эффектами.
Поскольку физика процесса не зависит от масштаба, результаты применимы и к атомарно тонким материалам. Это открывает возможности для разработки микро- и наноэлектромеханических систем, где срок службы ограничен износом деталей. Бесконтактное магнитное трение может найти применение в производстве адаптивных амортизаторов, магнитных подшипников и систем изоляции вибраций, позволяя управлять механическими свойствами устройств без физического вмешательства.
