Tim sa Univerziteta u Konstancu pokazao je da Amontonov prvi zakon trenja iz 1699. ne objašnjava ponašanje između dva magnetna sloja koji se ne dodiruju. Eksperiment sa dvodimenzionalnim nizom rotirajućih magnetnih elemenata otkriva nemonotono trenje: najslabije na veoma malim i veoma velikim rastojanjima, dok se povećava na srednjim usled konkurentnih magnetnih poravnanja. Nalaz ima potencijalne primene u mikro- i nanouređajima koji koriste magnetizam.
Naučnici iz Konstanca Izazvali Potres u Fizici: Magneti Opovrgavaju 300-godišnji Zakon Trenja
Scientists Upended a 300-Year-Old Law of Physics© Marc Mateos - Getty Images
Današnja nauka sve ređe govori o nepogrešivim "zakonima" — umesto toga razvijaju se teorije koje se mogu dopuniti novim otkrićima. Novi rad istraživača sa Univerziteta u Konstancu ponovo to potvrđuje: istorijski prihvaćen Amontonov prvi zakon trenja ne važi univerzalno kada se u igru umešaju magnetna polja.
Amontonov prvi zakon, formulisao je francuski fizičar Guillaume Amontons 1699. godine: sila trenja proporcionalna je primenjenom opterećenju. U praksi to znači da teži predmet obično stvara veće trenje, jer se povećava kontaktna zona među mikrostrukturom površina.
Međutim, studija objavljena u časopisu Nature Materials pokazuje neočekivano ponašanje kod magnetskih sistema koji se ne dodiruju. Istraživači su konstruisali dvodimenzionalni niz slobodno rotirajućih magnetnih elemenata koji klize iznad druge magnetne ploče. Iako nema fizičkog kontakta, pojavljuje se merljivo magnetsko trenje.
Kako je objasnio koautor Hongri Gu (Hong Kong University of Science and Technology), dok je radio na Univerzitetu u Konstancu:
'Pomeranjem rastojanja između magnetnih slojeva mogli smo dovesti sistem u režim konkurentnih interakcija u kome se rotori stalno reorganizuju dok klize.'
Rezultat je neintuitivan: trenje je najslabije kada su slojevi veoma blizu i kada su dovoljno udaljeni, ali se znatno povećava na srednjim rastojanjima. Objašnjenje leži u takozvanim konkurentnim magnetnim poravnanjima: u jednom sloju magnetni momenti mogu biti antiparalelni, dok je drugi sloj poravnan paralelno, što stvara nestabilnu konfiguraciju. Sistem tada konstantno prelazi između paralelnih i antiparalelnih stanja, a ta stalna unutrašnja reorganizacija generiše disipaciju energije — tj. trenje.
Vođa tima Clemens Bechinger iz Konstanca naglašava:
'Zanimljivo je da ovde trenje nastaje isključivo unutrašnjom reorganizacijom. Nema habanja, nema površinske hrapavosti i nema direktnog kontakta. Disipacija se generiše samo kolektivnim magnetnim preuređivanjima.'
Iako cilj istraživanja nije jednostavno «pobiti» Amontona — čiji zakon i dalje važi u većini svakodnevnih situacija — ovaj rad pokazuje da postoje fizički efekti izvan okvira klasičnih pravila. Ponašanja na makroskopskoj skali verovatno se mogu pojaviti i u mikroskopskim i nanoskalnim uređajima.
Praktične implikacije
Razumevanje ovakvog magnetskog trenja može doprineti boljem dizajnu mikro- i nanoelektromehaničkih sistema (MEMS/NEMS) koji koriste magnetizam — na primer, magnetskih ležajeva, atoma-tankih magnetnih slojeva i drugih uređaja gde trenje i disipacija igraju ključnu ulogu.
Ovo istraživanje podseća da naučna znanja napreduju kroz dopunjavanje i preciziranje ranijih teorija, a ne kroz apsolutno odbacivanje prethodnih otkrića: Amontonov zakon ostaje koristan, ali ne objašnjava sva ponašanja u svim uslovima.
Pomozite nam da budemo bolji.
