Fyzici zpochybnili 300 let starý zákon: Objevili tření, které funguje i bez dotyku

Vědci z Kostnické univerzity objevili zcela nový typ kluzného tření, které vzniká bez jakéhokoli fyzického kontaktu. Odpor vůči pohybu je v tomto případě způsoben výhradně kolektivním chováním magnetických prvků.

Vědci z Kostnické univerzity objevili zcela nový typ kluzného tření, které vzniká bez jakéhokoli fyzického kontaktu. Odpor vůči pohybu je v tomto případě způsoben výhradně kolektivním chováním magnetických prvků. Jejich zjištění zásadně zpochybňuje Amontonsův zákon, jeden z nejstarších a nejuznávanějších empirických zákonů ve fyzice, který po více než 300 let spojoval tření přímo s tlakem mezi dvěma povrchy.

Amontonsův zákon předpokládá, že tření se zvyšuje úměrně s „zatížením“ (silou, která tlačí povrchy k sobě), což odpovídá běžné zkušenosti, kdy je těžší pohybovat těžšími předměty. Tradiční vysvětlení spočívá v tom, že povrchy se pod tlakem mírně deformují, čímž se vytváří více mikroskopických kontaktních bodů, které zvyšují odpor. Tento předpoklad však nemusí platit v systémech, kde pohyb vyvolává významné vnitřní změny, jako je tomu u magnetických materiálů, kde se může měnit jejich vnitřní magnetické uspořádání.

Prozkoumání této možnosti vedlo vědce k experimentu s dvourozměrným polem volně rotujících magnetických prvků umístěných nad druhou magnetickou vrstvou. I když se obě vrstvy nikdy fyzicky nedotýkaly, jejich magnetická interakce stále vytvářela měřitelnou třecí sílu. Tým mohl měnit „zatížení“ úpravou vzdálenosti mezi vrstvami a zároveň přímo pozorovat změny magnetické struktury během pohybu. „Změnou vzdálenosti mezi magnetickými vrstvami jsme mohli systém přivést do režimu soupeřících interakcí, kde se rotory neustále reorganizují, když kloužou,“ vysvětluje Hongri Gu, který experimenty prováděl.

Výsledky odhalily nečekaný vzorec: tření je nejnižší, když jsou vrstvy buď velmi blízko u sebe, nebo naopak daleko. Při středních vzdálenostech však tření výrazně stoupá a dosahuje jasného vrcholu. Tento jev je způsoben soupeřícími magnetickými preferencemi – horní vrstva má tendenci uspořádat své magnetické momenty antiparalelně, zatímco spodní vrstva preferuje paralelní uspořádání. Tyto protichůdné tendence nutí systém do nestabilního stavu. Během pohybu se magnety opakovaně přepínají mezi těmito nekompatibilními konfiguracemi, což vede k neustálým ztrátám energie a výraznému vrcholu tření.

„Z teoretického hlediska je tento systém pozoruhodný, protože tření nevzniká z fyzického povrchového kontaktu, ale z kolektivní dynamiky magnetických momentů,“ objasňuje Anton Lüders, který vyvinul teoretický popis. Clemens Bechinger, vedoucí projektu, dodává: „Co je pozoruhodné, je to, že tření zde vzniká výhradně z vnitřní reorganizace. Neexistuje žádné opotřebení, žádná drsnost povrchu a žádný přímý kontakt. Disipace je generována pouze kolektivními magnetickými přesuny.“ Tento objev tak přináší nový pohled na základní fyzikální principy a otevírá cestu k hlubšímu pochopení a potenciálně i novým aplikacím v oblasti materiálů a technologií.