Las bolas magnéticas proporcionan vías emocionantes para explorar muchos fenómenos fundamentales en física. Pueden ensamblarse a mano en cadenas y estructuras más complejas y usarse para modelar las propiedades de materiales no estirables que, como el papel, se desmoronan bajo ciertas condiciones de carga.
Las bolas magnéticas apiladas una encima de la otra en cadenas verticales permanecen estables, pero solo para ciertas opciones de parámetros sobresalientes. El profesor Eliot Fried y el Dr. Johannes Schönke de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OIST examinaron la longitud máximade una cadena de bolas magnéticas que pueden equilibrarse verticalmente sin caerse, un fenómeno simple pero importante relacionado con la estabilidad de las cadenas magnéticas. Mediante la teoría y el análisis matemático en combinación con datos experimentales, determinaron los valores de parámetros críticos en los que las cadenas pierden estabilidadbajo varias circunstancias.
Los hallazgos, publicados en Proceedings of the Royal Society of London Series A, podrían proporcionar información sobre la estabilidad de los materiales no estirables utilizados en el diseño arquitectónico a gran escala. Esto tiene muchas aplicaciones prácticas en la construcción, desde chimeneas de hormigón de plantas de energía hasta el exteriorproyectiles de cohetes.
Primero, consideraron una sola cadena fija en su base hecha de bolas magnéticas de 5 mm de diámetro, cada una con un peso de 0.5 gramos y una densidad de flujo magnético de 1.19 Tesla T. Una cadena de nueve bolas permanece estable, pero una cadena de 10bolas se dobla bajo su propio peso.
"Es una competencia entre la fuerza magnética y la gravedad", dice el Dr. Schönke. "Cuando la cadena alcanza 10 bolas, la gravedad gana a la fuerza magnética y la cadena pierde estabilidad".
Luego, el equipo observó la caja de dos cadenas, una unida al suelo y la otra colgando arriba con un espacio de longitud prescrita en el medio. Cuando los campos magnéticos estaban alineados de manera que la cadena superior y la cadena inferior estaban magnéticamenteatraídos el uno al otro, la cadena superior estabilizó una cadena inferior de 10 bolas de longitud. En otras palabras, la presencia de una cadena magnética superior aumenta la longitud a la que una cadena sujeta en su base permanece estable.
"A medida que aumenta el número de bolas magnéticas en la cadena inferior, el espacio entre las cadenas superior e inferior debe reducirse para que la cadena inferior permanezca estable", explica el Dr. Schönke.
Incluso si la cadena inferior no está fija, la interacción magnética con la cadena superior proporciona estabilidad, un escenario imposible para una sola cadena sin fijar. Sin embargo, en este caso, si la distancia entre las cadenas superior e inferior es demasiado pequeña, lala cadena inferior no fija se levanta y se une a la cadena superior.
En la configuración experimental final, los investigadores invirtieron la orientación de las bolas magnéticas en la cadena superior para que la dirección del campo magnético de la cadena superior se opusiera a la de la cadena inferior fija. Debido a la fuerza de repulsión resultante entre los doscadenas, la cadena inferior solo permanece estable con ocho bolas, una bola menos que una cadena fija simple estable y dos bolas menos que una cadena inferior fija estable atraída por una cadena superior suspendida.
"Encontramos que la estabilidad de las cadenas magnéticas está determinada por el número de bolas en una cadena, el tamaño de la brecha entre la cadena superior e inferior y la fuerza de las fuerzas magnéticas en relación con la gravedad", dice el profesor Fried,quien dirige la Unidad de Materia Suave Matemática de OIST.
"Puede parecer un poco divertido con imanes de juguete, pero de hecho, hemos realizado cálculos matemáticos no triviales que nos permiten explicar la estabilidad de las cadenas magnéticas con extrema precisión", dice el Dr. Schönke.
Estos hallazgos proporcionan una base sobre la cual estudiar estructuras más complejas de bolas magnéticas, como tubos cilíndricos compuestos de anillos circulares apilados. Si los anillos están empaquetados de forma cuadrada de manera que cada bola esté en contacto solo con sus cuatro vecinos inmediatos, puededeformarse de muchas maneras
En comparación con los anillos empaquetados cuadrados, los anillos empaquetados hexagonalmente en los que cada bola está en contacto con sus seis vecinos, son más estables. Mantener las conexiones entre las bolas de esta manera crea un sistema que es incapaz de extensión o contracción. Como tal,Las estructuras configuradas de esta manera proporcionan un modelo para comprender materiales no estirables como el papel.
"Uno de los próximos pasos es realizar simulaciones más dinámicas utilizando tubos cilíndricos de bolas magnéticas y determinar los valores de parámetros críticos en los que las estructuras configuradas de esta manera pierden estabilidad", dice el Dr. Schönke.
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Materiales proporcionado por Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa - OIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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