La física rompe una regla de 300 años: descubren una fricción que surge sin contacto y no sigue las leyes clásicas
CIENCIAS EXACTAS: FÍSICA.
Un experimento con imanes pone en cuestión una de las reglas más conocidas de la física clásica y revela un comportamiento inesperado que podría cambiar cómo se diseñan futuras tecnologías.
Fuente: ChatGPT.
La fricción está en casi todo lo que se mueve: desde una silla que se arrastra hasta los mecanismos más complejos de una máquina. Durante siglos, la física ha descrito este fenómeno con leyes sencillas y aparentemente universales, como la que relaciona el peso de un objeto con la resistencia que ofrece al moverse. Esa cotidiana cotidiana —cuanto más pesado, más cuesta moverlo— ha funcionado sorprendentemente bien en la mayoría de situaciones.
Sin embargo, un nuevo trabajo científico cuestiona hasta qué punto esa idea sigue siendo válida cuando entran en juego fenómenos más complejos. El estudio analiza sistemas donde no hay contacto directo entre superficies, pero aun así aparece fricción, lo que obliga a replantear cómo se entiende este fenómeno en ciertos contextos físicos avanzados. Los resultados abren la puerta a explorar nuevas formas de controlar el movimiento y la disipación de energía (¿se disipa siempre la energía?).
Una ley clásica que parecía inamovible.
La llamada ley de Amontons ha sido una referencia básica en física desde el siglo XVII. Establece que la fuerza de fricción aumenta de forma proporcional con la carga o peso aplicado, algo que coincide con la experiencia diaria. Esta relación ha sido útil en ingeniería, diseño de materiales y múltiples aplicaciones prácticas.
A nivel microscópico, esta ley se explica por el contacto entre superficies. Cuando dos materiales se presionan, sus irregularidades aumentan los puntos de contacto reales, lo que incrementa la resistencia al deslizamiento. Este modelo ha funcionado bien en sistemas donde las deformaciones son pequeñas y no alteran la estructura interna de los materiales.
Sin embargo, no todos los sistemas son tan simples. En algunos materiales, el movimiento puede cambiar propiedades internas como el orden magnético, lo que introduce nuevos factores que no están contemplados en las leyes clásicas. Este es precisamente el tipo de escenario que explora el nuevo estudio.
Esquema del sistema con dos capas de imanes que generan fricción sin tocarse. Fuente: Nature Materials.
Coulomb y la fricción: una ley menos conocida de lo que parece.
Aunque la ley de Amontons suele llevarse el protagonismo, la comprensión moderna de la fricción no se entiende sin el trabajo de Charles-Augustin de Coulomb. Este físico no solo estudió las fuerzas eléctricas, sino que también analizó en detalle cómo se comportan dos superficies al deslizarse. Su trabajo permitió ir más allá de la idea simplificada de que la fricción depende únicamente del peso.
Coulomb observó que la fricción también cambia según los materiales, el tiempo de contacto o incluso si el sistema está en reposo o en movimiento. Esta distinción entre fricción estática y dinámica sigue siendo fundamental hoy en día. En la práctica, lo que solemos llamar “ley de Amontons” se conoce también como ley de Amontons-Coulomb, lo que refleja que incluso en la física clásica la fricción era un fenómeno más complejo de lo que parecía a simple vista.
Un experimento sin contacto que cambia las reglas.
Para investigar estos efectos, los investigadores diseñaron un sistema muy particular. Utilizaron dos capas de imanes: una fija y otra formada por elementos que pueden rotar libremente, como se aprecia en el esquema de la página 1 del documento divulgativo . Aunque ambas capas no llegan a tocarse, interactúan mediante fuerzas magnéticas.
Al deslizar una capa sobre la otra, los imanes de la capa superior cambian continuamente su orientación. Este proceso genera una resistencia al movimiento, es decir, fricción, sin necesidad de contacto físico directo. Este punto es clave, ya que rompe con la idea tradicional de que la fricción siempre requiere contacto.
El propio artículo científico lo resume de forma clara: “demostramos que la fricción puede surgir enteramente de dinámicas configuracionales impulsadas magnéticamente en ausencia de contacto físico”. Este resultado sitúa el fenómeno en un terreno completamente distinto al de la fricción convencional.
¿Pero acaso el contacto existe?
En realidad, lo que se percibe como contacto entre dos objetos es una simplificación útil, pero no describe lo que ocurre a nivel microscópico. Los átomos que forman cualquier material nunca llegan a tocarse realmente, porque están rodeados por nubes de electrones cargados negativamente. Cuando dos superficies se acercan, esas nubes electrónicas comienzan a repelerse entre sí debido a fuerzas eléctricas, impidiendo que los átomos se superpongan.
A esto se suma un principio fundamental de la física cuántica: el principio de exclusión de Pauli, que establece que dos electrones no pueden ocupar exactamente el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Como resultado, los electrones de un objeto “empujan” a los del otro antes de que exista un contacto real, generando la sensación de solidez. Lo que se interpreta como tocar algo es, en el fondo, una interacción de fuerzas invisibles que evita que la materia llegue a mezclarse.
Cuando la fricción deja de comportarse como se esperaba.
El hallazgo más relevante aparece al analizar cómo cambia la fricción al modificar la distancia entre las capas. Esa distancia actúa como una forma de controlar la “carga efectiva” del sistema, algo equivalente al peso en los sistemas clásicos.
Según el estudio, “observamos una dependencia no monótona de la fricción con la separación entre capas”. Esto significa que la fricción no aumenta de forma continua, sino que sigue un patrón más complejo.
En concreto, la fricción alcanza un máximo en una distancia intermedia, algo completamente contrario a lo que predice la ley clásica. El propio paper lo describe así: “la fricción alcanza un máximo a una distancia intermedia” .
Este comportamiento se entiende mejor observando lo que ocurre dentro del sistema. Los imanes pueden alinearse de diferentes formas, y en ciertas condiciones esas configuraciones entran en conflicto, lo que genera inestabilidad. Esa inestabilidad obliga al sistema a reorganizarse constantemente, disipando más energía.
En términos físicos, este proceso está relacionado con la histéresis, un fenómeno en el que el estado actual depende de su historia previa. Cada reorganización interna consume energía, lo que se traduce en un aumento de la fricción.
Los imanes cambian de orientación durante el movimiento, generando disipación de energía. Fuente: Nature Materials.
Fricción sin desgaste y nuevas aplicaciones.
Uno de los aspectos más interesantes de este descubrimiento es que la fricción observada no implica desgaste ni contacto entre superficies. Esto supone una ventaja enorme para el diseño de dispositivos, especialmente a pequeña escala.
En sistemas como los microdispositivos o los componentes nanoelectromecánicos, el desgaste limita la vida útil de los materiales. Poder generar y controlar fricción sin contacto abre nuevas posibilidades para alargar su duración y mejorar su rendimiento.
Además, el estudio sugiere que la fricción puede utilizarse como una herramienta para medir y controlar el estado interno de los materiales, especialmente en sistemas magnéticos. Esto podría tener aplicaciones en sensores, materiales inteligentes o interfaces adaptativas.
A largo plazo, este tipo de investigación apunta hacia el desarrollo de materiales con fricción ajustable, capaces de responder a cambios externos sin deteriorarse. También podría influir en tecnologías como los rodamientos magnéticos o los sistemas de amortiguación avanzados.
Una nueva forma de entender el movimiento y la energía.
Más allá de sus aplicaciones, el trabajo propone una idea más profunda. La fricción deja de ser solo un fenómeno superficial para convertirse en un reflejo de procesos internos complejos. En este caso, el movimiento está directamente conectado con la dinámica colectiva de los imanes.
Esto cambia la perspectiva tradicional. La resistencia al movimiento ya no depende únicamente del contacto entre superficies, sino también de cómo evoluciona el estado interno del sistema. Este enfoque conecta dos áreas que normalmente se estudian por separado: la tribología (fricción) y el magnetismo.
En ese sentido, el estudio abre una vía para explorar fenómenos donde el movimiento mecánico y las propiedades internas de los materiales están profundamente entrelazados. Es un ejemplo de cómo incluso conceptos muy establecidos pueden cambiar cuando se observan en nuevos contextos.
Por: Eugenio M. Fernández Aguilar. Físico, escritor y divulgador científico.
Sitio Fuente: MuyInteresante