Закон тертя, якому 300 років, спростований магнітним експериментом

Протягом понад 300 років один із найстаріших законів фізики вважався непорушним: тертя між поверхнями зростає прямо пропорційно навантаженню — важчий предмет важче ковзати. Але нове дослідження фізиків Університету Констанц, опубліковане 18 березня 2026 року в Nature Materials, не просто уточнює закон Амонтона — воно виявляє принципово новий тип тертя, що виникає взагалі без фізичного контакту між поверхнями, рухається зворотним шляхом і може бути кероване дистанційно.

Що відомо коротко:

• Закон Амонтона (1699): сила тертя = коефіцієнт × навантаження; більше вага — більше тертя
• Нове явище: між двома магнітними шарами, що ніколи не торкаються один одного, виникає вимірюване тертя — виключно через магнітне поле
• При збільшенні «навантаження» (зменшенні відстані між шарами) тертя спочатку зростає до максимуму, потім спадає — порушуючи монотонність закону Амонтона
• Механізм: магнітна фрустрація — конкуруючі взаємодії змушують ротори постійно перебудовуватись, розсіюючи енергію
• Відкриття відкриває шлях до тертя без зносу, керованих магнітних підшипників і «фрикційних метаматеріалів»
• Автори: Хонгрі Гу, Антон Людерс і Клеменс Бехінгер (Університет Констанц, Німеччина)

Закон, якому 300 років

У 1699 році французький інженер Гійом Амонтон сформулював емпіричне правило, яке кожен перевіряв у побуті: щоб зрушити важку шафу, потрібно більше зусиль, ніж щоб посунути легкий стілець. Формально це виражається так: сила тертя прямо пропорційна нормальному навантаженню — силі, з якою поверхня тисне на іншу.

Фізичне пояснення прийшло пізніше: під навантаженням поверхні мікроскопічно деформуються, збільшуючи реальну площу контакту і кількість мікровиступів, що «зачіплюються» один за одного. Більше контакт — більше тертя. Цей закон зарекомендував себе настільки добре, що став основою трибології — науки про тертя — і застосовується в інженерії від автомобільних гальм до нанопристроїв. Квантовий прорив нещодавно продемонстрував, що навіть найзручніші моделі реальності врешті-решт поступаються більш точнішим теоріям.

Що виявили вчені Констанца

Команда Клеменса Бехінгера вирішила перевірити, чи витримає закон Амонтона в умовах, де ковзання спричиняє суттєві внутрішні перебудови матеріалу — не просто мікродеформації поверхні, а зміну самого внутрішнього порядку.

Для цього вони спроектували настільний експеримент: двовимірна решітка вільно обертальних постійних магнітів (роторів) розмістилась над другим шаром нерухомих магнітів. Два шари ніколи не торкаються — між ними завжди є повітряний зазор. Проте магнітна взаємодія між шарами породжує вимірювану силу опору руху — справжнє тертя без контакту.

Змінюючи відстань між шарами (аналог «навантаження»), дослідники могли плавно регулювати інтенсивність магнітної взаємодії і спостерігати, як конфігурація роторів змінюється під час ковзання.

Немонотонне тертя і магнітна фрустрація

Результати виявились несподіваними. Коли шари дуже далеко або дуже близько — тертя мінімальне. Але при проміжних відстанях воно різко зростає до вираженого максимуму, а потім знову спадає при подальшому зближенні.

Чому? При проміжних відстанях між шарами виникає магнітна фрустрація: верхній шар «хоче» антипаралельного вирівнювання магнітних моментів (протилежні напрямки), тоді як нижній шар нав’язує паралельне. Ця несумісність змушує систему перебувати у динамічно нестабільному стані. В процесі ковзання ротори безперервно перемикаються між цими несумісними конфігураціями — гістерезисним чином (поточний стан залежить від попереднього). Кожне перемикання розсіює енергію, що й породжує підвищений опір руху.

«Змінюючи відстань між магнітними шарами, ми могли переводити систему в режим конкуруючих взаємодій, де ротори постійно реорганізовуються під час ковзання», — пояснює Хонгрі Гу, який проводив експерименти.

Коли ж шари дуже близько, одна конфігурація починає домінувати — фрустрація зникає, ротори «вибирають» стан і перестають хаотично перемикатися. Тертя знову спадає. Квантова фізика довела, що об’єктивної реальності не існує — і магнітна фрустрація нагадує схожий парадокс: система в «конкуруючому» стані водночас «хоче» бути в двох конфігураціях, що й породжує незвичну поведінку.

Тертя без зносу і нові технології

Важливість відкриття виходить далеко за межі фізики тертя. По-перше, це перший задокументований приклад безконтактного тертя, що виникає виключно з колективної спін-динаміки — без жодного механічного торкання між поверхнями. Це відкриває новий клас матеріалів, де тертям керує магнітний порядок, а не шорсткість поверхні.

По-друге, оскільки фізика явища масштаб-інваріантна, ті самі ефекти мають проявлятися в атомно-тонких магнітних матеріалах — наприклад, у двовимірних магнітних кристалах типу CrI₃, де навіть мікроскопічні механічні зсуви можуть перемикати магнітний порядок. Це відкриває можливість зондувати спін-динаміку через суто механічні вимірювання — новий зв’язок між трибологією і магнетизмом.

Довгострокові застосування: керовані без зносу тертям поверхні, де гістерезис дозволяє дистанційно і оборотно регулювати тертя. Це відкриває шлях до «фрикційних метаматеріалів», адаптивних демпферів, безконтактних керуючих елементів. Практичні галузі: мікро- і наноелектромеханічні системи (де знос обмежує термін служби), магнітні підшипники, системи гасіння вібрацій. Квантова заплутаність топ-кварків демонструє, що колективні ефекти у мікросвіті мають реальні макроскопічні прояви — і магнітне тертя є черговим таким прикладом.

Значення для фундаментальної фізики

Закон Амонтона не «спростований» у загальному сенсі — він продовжує чудово описувати звичайне механічне тертя. Але нове відкриття виявляє межі його застосовності: у системах, де рух спричиняє сильні внутрішні перебудови матеріалу, просте правило «більше навантаження — більше тертя» перестає працювати.

Це фундаментально важливо: трибологія завжди розглядала тертя як поверхневий феномен. Нові результати доводять, що тертя може бути об’ємним — породженим колективною перебудовою внутрішнього стану матеріалу. Відповідно, існуючі теоретичні рамки потребують розширення, щоб включити внутрішні ступені свободи як ключові учасники дисипації енергії.

Цікаві факти

Гійом Амонтон сформулював свій закон у 1699 році — майже одночасно з тим, як Ньютон публікував «Principia Mathematica». Закон витримав понад три сторіччя і тисячі перевірок у найрізноманітніших умовах. Те, що в 2026 році вдається знайти режим, де він дає збої — саме по собі вражаюче.

Гістерезис — здатність системи «пам’ятати» попередній стан — є ключовим механізмом у цьому явищі. Ротори не переходять між конфігураціями вільно: вони «застрягають» у поточному стані до певного порогу, а потім перемикаються різко. Саме ці різкі перемикання розсіюють енергію і породжують тертя.

Двовимірні магнітні матеріали — відносно недавнє відкриття (2017 рік): виявилось, що магнетизм може існувати в матеріалах завтовшки лише в один атомний шар. У таких системах механічний рух і магнітний порядок особливо тісно пов’язані, тому прогнозовані ефекти можуть бути навіть більш вираженими.

Фрикційні метаматеріали — матеріали зі штучно сконструйованими фрикційними властивостями — є ще гіпотетичними, але цей відкриття дає першу дорожню карту для їхнього проектування. Теоретично можна створити поверхню, де тертя можна плавно регулювати зовнішнім магнітним полем — без жодного фізичного контакту чи зносу.

FAQ

Чи означає це, що закон Амонтона неправильний? Ні. Закон залишається вірним для переважної більшості ситуацій, де тертя виникає між твердими поверхнями у механічному контакті і де ковзання не спричиняє суттєвих внутрішніх перебудов матеріалу. Нове відкриття показує, що в принципово інших умовах — де рух змінює внутрішній магнітний порядок — закон порушується. Це розширення меж застосовності, а не спростування.

Чи може магнітне тертя бути корисним чи лише шкідливим? Обидва варіанти. З одного боку, небажане магнітне тертя може виникати в магнітних пристроях, де шари ковзають один відносно одного. З іншого — керована форма магнітного тертя може бути корисною як демпфер вібрацій або гальмівний елемент у мікроелектромеханічних системах, де традиційне механічне тертя швидко призводить до зносу.

Які матеріали найбільш перспективні для практичного застосування? Автори вказують на атомно-тонкі двовимірні магнетики (наприклад, CrI₃ або Fe₃GaTe₂), де навіть дрібні механічні зсуви перемикають магнітний порядок. У таких системах ефекти мають бути особливо сильними. Також перспективні мікроелектромеханічні системи, де зараз знос є основним обмежувачем терміну служби.

Закон тертя, якому 300 років, спростований магнітним експериментом з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com