Trintis – toks kasdienis reiškinys, kad dažnai atrodo, jog čia nebėra ką atrasti. Kėdė priešinasi stumiama, padanga kimba į asfaltą, degtukas užsidega patrynus. Mokykloje viskas pateikiama itin paprastai: kuo stipriau prispausi paviršius, tuo didesnė bus trintis. Šią tvarką nuo XVII a. pabaigos apibūdina pirmasis Amontonso dėsnis – vienas klasikinių empirinių mechanikos dėsnių.
Vis dėlto naujas tyrimas rodo, kad ši taisyklė nėra tokia universali, kaip ilgą laiką manyta. Konstanco universiteto mokslininkų komanda nagrinėjo trintį magnetinėje sistemoje, kurioje du sluoksniai mechaniškai nesiliečia, tačiau judėjimui vis tiek atsiranda pasipriešinimas. Paaiškėjo, kad didinant „apkrovą“ trintis neauga tolygiai. Vietoj to pasireiškia aiškus pikas: pasipriešinimas didžiausias esant vidutiniams atstumams, o silpnesnis tiek tada, kai sluoksniai yra labai arti, tiek tada, kai jie labiau nutolę.
Šis rezultatas nereiškia, kad kasdienėje aplinkoje staiga nustos galioti mums įprastas trinties vaizdas – batų paduose, stabdžiuose ar stalčiuose. Greičiau tai priminimas, kad fizikoje taisyklės, puikiai veikiančios makromasteliu ir esant mechaniniam kontaktui, gali pradėti „trūkinėti“ specialiose ar mikroskopinėse sistemose. Ypač ten, kur pasipriešinimą lemia ne paviršių sąlytis, o kolektyvinė magnetinių laukų dinamika.
Trintis atsiranda ir be prisilietimo
Šiame eksperimente nebuvo dviejų šiurkščių paviršių, besitrinančių tarsi švitrinis popierius. Tyrėjai dirbo su magnetine sistema, sudaryta iš judančių sukinių (spinų) elementų ir antro magnetinio sluoksnio. Kai vienas sluoksnis slenka kito atžvilgiu, magnetiniai momentai nuolat bando prisitaikyti prie kintančios padėties. Būtent šis nenutrūkstantis persitvarkymas tampa pasipriešinimo šaltiniu. Kitaip tariant, trintis čia kyla ne iš klasikinio kontakto, o iš vidinės magnetinės tvarkos reorganizacijos.
Nors tai skamba tarsi fizikinis triukas, logika paprasta: jei sistema judėdama turi nuolat „perrašinėti“ savo būseną, tam reikia energijos. Ten, kur judėjimas sukelia energijos nuostolius, greitai atsiranda ir reiškinys, kurį suvokiame kaip trintį. Tik šiuo atveju pagrindinį vaidmenį atlieka ne paviršiaus nelygumai, dėvėjimasis ar mikroskopiniai įbrėžimai, o magnetinė „frustracija“ ir kolektyvinis sukinių persitvarkymas.
Įprastas trinties vaizdinys yra grynai mechaninis: kažkas šnypščia ir braižosi į kažką. Čia pasipriešinimas labiau primena žmonių minią siaurame praėjime. Kai erdvės per daug – visi praeina lengvai. Kai viskas itin suspausta – tvarka gali vėl tapti paprastesnė. Tačiau „per vidurį“ atsiranda blogiausias momentas: kiekvienas bando įsitaisyti, trukdo kitiems, ir judėti tampa sunkiausia. Būtent tada fiksuojamas trinties maksimumas.
Senas dėsnis nežlunga, bet nebėra vienintelis
Pirmasis Amontonso dėsnis supaprastintai teigia, kad trinties jėga yra proporcinga prispaudimo jėgai. Kasdienėje mechanikoje tai veikia puikiai, ir nėra požymių, kad dėl šio eksperimento reikėtų perrašyti automobilių stabdžių instrukcijas. Problema atsiranda tada, kai šis dėsnis pradedamas laikyti beveik visur ir visada galiojančiu principu. Nauji rezultatai aiškiai rodo: egzistuoja sistemos, kuriose ryšys tarp „apkrovos“ ir judėjimo pasipriešinimo nėra tiesinis.
Tokio pobūdžio atradimai moksle dažniausiai nereiškia, kad senos teorijos „išmetamos pro langą“. Dažniau jos tiesiog praranda absoliutumo pretenziją: tai, kas atrodė fundamentalus dėsnis, pasirodo esąs labai geras artinys tam tikroms sąlygoms. Už jų ribų ima veikti kita fizika arba ta pati fizika, tik su papildomais „veikėjais“ – šiuo atveju su kolektyvine magnetine dinamika.
Verta prisiminti, kad tai ne pirmas signalas apie klasikinių trinties dėsnių ribotumą. Jau seniai žinoma, kad nanomasteliu trinties elgsena gali skirtis nuo paprasto makroskopinio vaizdo. Šis tyrimas papildo bendrą istoriją nauju, itin ryškiu skyriumi: reiškinys, kuris vadovėliuose dažnai atrodo banalus, vis dažniau atskleidžia subtilią sudėtingų sistemų fiziką.
