As bolas magnéticas fornecem caminhos emocionantes para explorar muitos fenômenos fundamentais da física. Eles podem ser montados manualmente em cadeias e estruturas mais complexas e usados ​​para modelar as propriedades de materiais não extensíveis que, como papel, amassar sob certas condições de carregamento.

As bolas magnéticas empilhadas umas sobre as outras em cadeias verticais permanecem estáveis, mas apenas para certas escolhas de parâmetros salientes. O professor Eliot Fried e o Dr. Johannes Schönke da Universidade de Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) examinaram o comprimento máximo de uma cadeia de bolas magnéticas que podem ser equilibradas verticalmente sem tombar - um fenômeno simples, mas importante, relacionado à estabilidade do material magnético correntes. Usando teoria e análise matemática em combinação com dados experimentais, eles determinaram os valores dos parâmetros críticos nos quais as cadeias perdem estabilidade em várias circunstâncias.

As evidências, publicado em Anais da Royal Society of London, Série A , pode fornecer uma visão sobre a estabilidade de materiais não extensíveis usados ​​em projetos arquitetônicos de grande escala. Isso tem muitas aplicações práticas na construção, das chaminés de concreto das usinas aos invólucros externos dos foguetes.

Primeiro, eles consideraram uma única corrente fixada em sua base feita de bolas magnéticas de 5 mm de diâmetro, cada um pesando 0,5 gramas e tendo uma densidade de fluxo magnético de 1,19 Tesla (T). Uma corrente de nove bolas permanece estável, mas uma corrente de 10 bolas se dobra sob seu próprio peso.

"É uma competição entre a força magnética e a gravidade, "diz o Dr. Schönke." Quando a corrente chega a 10 bolas, a gravidade vence a força magnética, e a corrente perde estabilidade. "

Próximo, a equipe analisou o caso de duas cadeias, um sendo preso ao solo e o outro pendurado acima, com uma lacuna de comprimento prescrito entre eles. Quando os campos magnéticos foram alinhados de modo que a cadeia superior e a cadeia inferior foram magneticamente atraídas uma pela outra, a corrente superior estabilizou uma corrente inferior de 10 bolas de comprimento. Em outras palavras, a presença de uma corrente magnética superior aumenta o comprimento em que uma corrente presa em sua base permanece estável.

"À medida que o número de bolas magnéticas na cadeia inferior aumenta, a lacuna entre as correntes superior e inferior precisa ser reduzida para que a corrente inferior permaneça estável, "explica o Dr. Schönke.

Mesmo se a corrente inferior não estiver fixada, a interação magnética com a corrente superior fornece estabilidade - um cenário impossível para uma única corrente não fixada. Contudo, nesse caso, se a distância entre as correntes superior e inferior for muito pequena, a corrente inferior não fixada levanta e se conecta à corrente superior.

Na configuração experimental final, os pesquisadores inverteram a orientação das bolas magnéticas na cadeia superior de modo que a direção do campo magnético da cadeia superior se opusesse à da cadeia inferior fixa. Devido à força de repulsão resultante entre as duas cadeias, a corrente inferior só permanece estável com oito bolas, uma bola a menos do que uma única corrente fixa estável e duas bolas a menos do que uma corrente inferior fixa estável atraída por uma corrente superior suspensa.

"Descobrimos que a estabilidade das cadeias magnéticas é determinada pelo número de bolas em uma cadeia, o tamanho da lacuna entre a corrente superior e inferior, e a força das forças magnéticas em relação à gravidade, "diz o professor Fried, que chefia a Unidade Matemática de Matéria Macia do OIST.

"Pode parecer um pouco divertido com ímãs de brinquedo, mas de fato, realizamos cálculos matemáticos não triviais que nos permitem explicar a estabilidade das cadeias magnéticas com extrema precisão, "diz o Dr. Schönke.

Essas descobertas fornecem uma base para estudar estruturas mais complexas de bolas magnéticas, como tubos cilíndricos compostos de anéis circulares empilhados. Se os anéis forem quadrados compactados de modo que cada bola esteja em contato apenas com seus quatro vizinhos imediatos, pode ser deformado de várias maneiras.

Em comparação com anéis quadrados embalados, anéis hexagonalmente embalados em que cada bola está em contato com seus seis vizinhos, são mais estáveis. Manter as conexões entre as bolas dessa forma cria um sistema que é incapaz de extensão ou contração. Como tal, as estruturas configuradas desta forma fornecem um modelo para a compreensão de materiais não extensíveis, como o papel.

“Uma das próximas etapas é realizar simulações mais dinâmicas utilizando tubos cilíndricos de bolas magnéticas e determinar os valores dos parâmetros críticos nos quais as estruturas configuradas desta forma perdem estabilidade, "diz o Dr. Schönke.