Pesquisadores da Universidade de Konstanz descobriram um tipo inteiramente novo de fricção deslizante. Neste caso, a resistência ao movimento ocorre sem contato físico, decorrente do comportamento coletivo dos elementos magnéticos. As suas descobertas 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 um pico aparente quando a ordem magnética dentro do sistema é perturbada.
Por mais de 300 anos, a lei de Amonton relacionou diretamente o atrito à força que pressiona duas superfícies uma contra a outra. Isto é consistente com a experiência cotidiana, onde objetos mais pesados são mais difíceis de mover do que objetos mais leves. Uma explicação comum é que as superfícies se deformam ligeiramente sob pressão, criando mais pontos de contato microscópicos que aumentam o arrasto.
Na maioria dos sistemas tradicionais, estas deformações são insignificantes e não alteram significativamente a estrutura interna dos materiais durante o movimento. No entanto, esta suposição pode não ser válida para sistemas onde o movimento causa grandes mudanças internas. Os materiais magnéticos são um exemplo importante, pois o movimento pode alterar sua ordem magnética interna.
Experimento magnético sem contato
Para investigar esta possibilidade, os pesquisadores projetaram um experimento de bancada com um conjunto bidimensional de elementos magnéticos em rotação livre colocados sobre uma segunda camada magnética. Mesmo que as duas camadas nunca se toquem fisicamente, a sua interação magnética ainda cria uma força de atrito mensurável.
Ao ajustar a distância entre as camadas, a equipe conseguiu controlar a carga efetiva observando diretamente como a estrutura magnética mudava durante o movimento.
“Ao alterar a distância entre as camadas magnéticas, poderíamos colocar o sistema num modo de interações competitivas, onde os rotores se reorganizam constantemente durante o deslizamento”, diz Hongri Gu, que conduziu os experimentos.
O conflito magnético cria um pico de atrito
Os resultados revelaram um padrão inesperado. O atrito é menor quando as camadas estão muito próximas ou distantes. Em distâncias intermediárias, entretanto, o atrito aumenta dramaticamente.
Este efeito ocorre devido a preferências magnéticas concorrentes. A camada superior tende a alinhar seus momentos magnéticos em uma configuração antiparalela (paralela, mas apontando em direções opostas), enquanto a camada inferior prefere um arranjo paralelo. Estas tendências conflitantes levam o sistema a um estado instável.
À medida que as camadas se movem, os ímanes alternam constantemente entre estas configurações incompatíveis de uma forma histerética (o que significa que o estado actual depende da sua história anterior). Esta comutação constante aumenta a perda de energia e cria um pico de atrito distinto.
Uma nova explicação do atrito sem superfícies
“Do ponto de vista teórico, este sistema é notável porque o atrito não provém do contato físico da superfície, mas da dinâmica coletiva dos momentos magnéticos”, explica Anton Lüders, que desenvolveu a descrição teórica.
Interações magnéticas concorrentes naturalmente causam reorientações repetidas durante o movimento, resultando em uma força de atrito que não varia simplesmente linearmente com a carga. Em vez de ser uma exceção, a violação da lei de Amonton neste caso decorre diretamente do comportamento do ordenamento magnético durante o deslizamento.
“O que é notável é que as contradições aqui surgem apenas devido à reorganização interna”, acrescenta Clemens Behinger, que liderou o projecto. “Não há desgaste, nem rugosidade superficial e nem contato direto. A dissipação ocorre exclusivamente devido a rearranjos magnéticos coletivos.”
Aplicações futuras de fricção magnética sem contato
Como a física subjacente é independente da escala, essas descobertas podem ser aplicadas muito além da configuração experimental. Efeitos semelhantes podem ocorrer em materiais magnéticos atomicamente finos, onde mesmo pequenos movimentos podem alterar a ordem magnética. Isso abre novas maneiras de estudar e controlar o magnetismo usando medições de fricção.
Olhando para o futuro, a pesquisa sugere a possibilidade de atrito que pode ser ajustado sem desgaste físico. Usando histerese magnética, o controle de fricção remoto e inverso pode se tornar possível. Isto poderia levar a tecnologias como metamateriais de fricção, sistemas de amortecimento adaptativos e componentes de controle sem contato.
As possíveis aplicações incluem sistemas micro e nanoeletromecânicos, onde o desgaste limita a vida útil dos dispositivos, bem como rolamentos magnéticos, sistemas de isolamento de vibração e materiais magnéticos ultrafinos, onde o movimento e o magnetismo estão fortemente acoplados. De forma mais ampla, o atrito magnético fornece uma nova maneira de estudar o comportamento da rotação coletiva através de medições mecânicas, unindo os campos da tribologia e do magnetismo de uma nova maneira.
