Pesquisadores da Universidade de Konstanz descobriram um tipo completamente novo de fricção deslizante. Neste caso, a resistência ao movimento ocorre sem qualquer contato físico, mas é gerada pelo comportamento coletivo dos elementos magnéticos. Os seus resultados mostram que o atrito nem sempre aumenta de forma constante com a carga, conforme descrito pela lei de Amonton (uma das leis empíricas mais antigas e mais amplamente aceites na física), mas pode atingir picos significativos quando a ordem magnética dentro do sistema é frustrada.
Por mais de 300 anos, a lei de Amonton vinculou diretamente o atrito à força que pressiona duas superfícies uma contra a outra. Isto é consistente com a experiência cotidiana de que objetos mais pesados são mais difíceis de mover do que objetos mais leves. A explicação usual é que a superfície se deforma ligeiramente sob pressão, criando mais pontos de contato microscópicos que aumentam o arrasto.
Na maioria dos sistemas convencionais, estas deformações são pequenas e não alteram significativamente a estrutura interna do material durante o movimento. Contudo, em sistemas onde o movimento induz mudanças internas significativas, esta suposição pode não ser válida. Os materiais magnéticos são um exemplo importante porque o movimento pode reorganizar sua ordem magnética interna.
Experimento magnético sem contato
Para investigar esta possibilidade, os investigadores conceberam uma experiência de mesa em que um conjunto bidimensional de elementos magnéticos em rotação livre foi colocado acima de uma segunda camada magnética. Mesmo que as duas camadas nunca entrem em contato físico, sua interação magnética ainda cria um atrito mensurável.
Ao ajustar a distância entre as camadas, a equipe conseguiu controlar a carga útil enquanto observava diretamente como a estrutura magnética muda durante o movimento.
“Ao alterar a distância entre as camadas magnéticas, podemos levar o sistema a um estado de interação competitiva, onde o rotor se reorganiza continuamente à medida que desliza”, disse Hongri Gu, que conduziu o experimento.
O conflito magnético produz picos de fricção
Os resultados revelaram um padrão inesperado. O atrito é menor quando as camadas estão muito próximas ou distantes. Contudo, em distâncias intermediárias, o atrito aumenta dramaticamente.
Este efeito ocorre devido a preferências magnéticas concorrentes. As camadas superiores tendem a alinhar os seus momentos magnéticos numa configuração antiparalela (paralela, mas apontando em direções opostas), enquanto as camadas inferiores tendem a alinhar-se em paralelo. Estas tendências conflitantes forçam o sistema à instabilidade.
À medida que a camada se move, o íman alterna entre estas configurações incompatíveis de uma forma histerética (o que significa que o estado actual depende da sua história passada). Esta comutação contínua aumenta as perdas de energia e cria picos de atrito significativos.
Uma nova explicação para a ausência de atrito superficial
“Este sistema é extraordinário do ponto de vista teórico porque o atrito não se origina do contato físico da superfície, mas da dinâmica coletiva dos momentos magnéticos”, explica Anton Lüders, que propôs a descrição teórica.
Interações magnéticas concorrentes naturalmente levam a reorientações repetidas durante o movimento, resultando em atrito que não varia de forma linear simples com a carga. Neste caso, a quebra da lei de Amonton não é uma exceção, mas surge diretamente do comportamento do ordenamento magnético durante o deslizamento.
“É importante notar que o atrito aqui decorre inteiramente da reestruturação interna”, acrescentou Clemens Basinger, que supervisiona o projeto. “Não há desgaste, nem rugosidade superficial, nem contato direto. A dissipação é gerada apenas pelo rearranjo magnético coletivo.”
Aplicações futuras de fricção magnética sem contato
Como a física subjacente é independente da escala, estas descobertas podem ter aplicações muito além dos ambientes experimentais. Um efeito semelhante pode ocorrer em materiais magnéticos atomicamente finos, onde mesmo pequenos movimentos podem alterar a ordem magnética. Isso abre novas maneiras de usar medições de atrito para estudar e controlar o magnetismo.
No futuro, pesquisas mostram que o atrito pode ser ajustado sem desgaste físico. Ao usar a histerese, o atrito pode ser ajustado remotamente e reversivelmente. Isto poderia levar a tecnologias como metamateriais de fricção, sistemas de amortecimento adaptativos e componentes de controle sem contato.
Os usos potenciais incluem sistemas micro e nanoeletromecânicos onde o desgaste limita a vida útil do dispositivo, bem como rolamentos magnéticos, sistemas de isolamento de vibração e materiais magnéticos ultrafinos onde o movimento e o magnetismo estão intimamente relacionados. De forma mais ampla, o atrito magnético oferece uma nova maneira de estudar o comportamento do spin coletivo por meio de medições mecânicas, unindo os campos da tribologia e do magnetismo de novas maneiras.
