العلماء يحلون لغز التحليق المغناطيسي بما يتجاوز الفيزياء الكلاسيكية

أكد علماء من الجامعة التقنية في الدنمارك (DTU) الفيزياء الأساسية لظاهرة رفع المغناطيس المكتشفة حديثًا.

في عام 2021، نشر عالم من تركيا ورقة بحثية تشرح بالتفصيل تجربة حيث تم ربط مغناطيس بمحرك، مما أدى إلى دورانه بسرعة. عندما تم تقريب هذا الإعداد من مغناطيس ثانٍ، بدأ المغناطيس الثاني في الدوران ويحوم فجأة في موضع ثابت على بعد بضعة سنتيمترات.

في حين أن التحليق المغناطيسي ليس شيئًا جديدًا – ربما يكون المثال الأكثر شهرة هو قطارات ماجليف التي تعتمد على قوة مغناطيسية قوية للرفع والدفع – فقد حيرت التجربة علماء الفيزياء لأن هذه الظاهرة لم يتم وصفها في الفيزياء الكلاسيكية، أو على الأقل في أي من الفيزياء الكلاسيكية. آلية معروفة للارتفاع المغناطيسي.

تم توضيح التحليق المغناطيسي باستخدام أداة Dremel التي تقوم بتدوير مغناطيس عند تردد 266 هرتز. يبلغ حجم المغناطيس الدوار 7 × 7 × 7 مم 3 والمغناطيس العائم 6 × 6 × 6 مم 3. يوضح هذا الفيديو الفيزياء الموصوفة في البحث. الائتمان: DTU.

ومع ذلك، فهو الآن. كان راسموس بيورك، الأستاذ في جامعة DTU Energy، مفتونًا بتجربة أوكار وشرع في تكرارها مع طالب الماجستير يواكيم إم هيرمانسن أثناء اكتشاف ما كان يحدث بالضبط. كان التكرار سهلاً ويمكن إجراؤه باستخدام مكونات جاهزة، لكن فيزيائيته كانت غريبة، كما يقول راسموس بيورك:

“لا ينبغي أن تحوم المغناطيسات عندما تكون قريبة من بعضها البعض. عادةً ما يجذبون بعضهم البعض أو يتنافرون. ولكن إذا قمت بتدوير أحد المغناطيسات، فقد اتضح أنه يمكنك تحقيق هذا التحليق. وهذا هو الجزء الغريب. لا ينبغي أن تتغير القوة المؤثرة على المغناطيسات لمجرد قيامك بتدوير أحدها، لذلك يبدو أن هناك اقترانًا بين الحركة والقوة المغناطيسية.»

وقد نشرت النتائج مؤخرا في المجلة مراجعة الفيزياء التطبيقية.

عدة تجارب لتأكيد الفيزياء

تضمنت التجارب عدة مغناطيسات بأحجام مختلفة، لكن المبدأ ظل كما هو: من خلال تدوير مغناطيس بسرعة كبيرة، لاحظ الباحثون كيف أن مغناطيسًا آخر على مقربة منه، يُطلق عليه اسم “المغناطيس العائم”، بدأ في الدوران بنفس السرعة بينما كان يلتصق بسرعة موقف حيث بقي يحوم.

ووجدوا أنه عندما يتم تثبيت المغناطيس العائم في موضعه، فإنه يتم توجيهه بالقرب من محور الدوران وباتجاه القطب المشابه للمغناطيس الدوار. لذلك، على سبيل المثال، ظل القطب الشمالي للمغناطيس العائم، أثناء دورانه، يشير إلى القطب الشمالي للمغناطيس الثابت.

وهذا يختلف عما كان متوقعًا بناءً على قوانين المغناطيسية الساكنة، والتي تشرح كيفية عمل النظام المغناطيسي الساكن. ومع ذلك، كما اتضح، فإن التفاعلات المغناطيسية الساكنة بين المغناطيسات الدوارة هي بالضبط المسؤولة عن خلق موضع التوازن للعوامات، كما وجد المؤلف المشارك وطالب الدكتوراه فريدريك إل. دورهوس باستخدام محاكاة لهذه الظاهرة. لقد لاحظوا تأثيرًا كبيرًا لحجم المغناطيس على ديناميكيات التحليق: تتطلب المغناطيسات الأصغر سرعات دوران أعلى للرفع بسبب قصورها الذاتي الأكبر وكلما ارتفعت ارتفاعها.

“اتضح أن المغناطيس العائم يريد أن يصطف مع المغناطيس الذي يدور، لكنه لا يستطيع أن يدور بسرعة كافية للقيام بذلك. وطالما تم الحفاظ على هذا الاقتران فإنه سوف يحوم أو يحلق في الهواء،” كما يقول راسموس بيورك، ويتابع:

“يمكنك مقارنتها بالقمة الدوارة. لن يقف إلا إذا كان يدور ولكنه ثابت في موضعه من خلال دورانه. فقط عندما يفقد الدوران الطاقة، تصبح قوة الجاذبية – أو في حالتنا قوة دفع وسحب المغناطيس – كبيرة بما يكفي للتغلب على التوازن.

المرجع: “الرفع المغناطيسي بالتناوب” بقلم يواكيم ماركو هيرمانسن، وفريدريك لاوست دورهوس، وكاثرين فراندسن، وماركو بيليجيا، وكريستيان آر إتش باهل، وراسموس بيورك، 13 أكتوبر 2023، تم تطبيق المراجعة البدنية.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.044036