Schon Leonardo da Vinci stellte erste Beobachtungen zu den Gesetzmäßigkeiten der Reibung an. Doch erst die 1699 von Guillaume Amontons formulierten Gesetze wurden zur Grundlage für die empirische Reibungsforschung. Das erste dieser Amontonssschen Gesetze bezieht sich auf die Reibungsfläche, das zweite konstatiert, dass die Reibungskraft proportional zum Anpressdruck steigt. Im Alltag zeigt sich dies beispielsweise daran, dass sich ein schweres Möbelstück weniger leicht verschieben lässt als ein leichtes. Als Ursache für dieses Verhalten gelten mikroskopische Verformungen der Kontaktflächen, durch die sich Zahl der Kontaktpunkte erhöht. Dies wiederum verstärkt den Bewegungswiderstand. Unklar war jedoch bisher, ob das Amontonssche Gesetz auch dann noch gilt, wenn die Bewegung starke interne Umordnungen auslöst – etwa in magnetischen Materialien. Bei diesen können Reibungskräfte auch ganz ohne Kontakt auftreten – durch rein magnetische Interaktionen der Materialien.
Maximum im mittleren Abstand statt stetiger Steigung
Um zu untersuchen, ob das Amontonssche Gesetz auch bei dieser kontaktlosen, magnetischen Reibung gilt, haben Hongri Gu von der Universität Konstanz und seine Kollegen erstmals ein makroskopisches Testsystem dafür entwickelt. Es besteht aus einer unteren Fläche, in die zahlreiche Minimagnete aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung eingelassen sind. Jeder der kleinen Magnetwürfel ist vier Millimeter groß. Die obere Fläche ist so angebracht, dass sie seitlich über die untere Fläche gleiten kann und ihr Abstand dabei variiert werden kann. Auf ihrer Oberfläche sitzen ebenfalls Minimagnete aus der Neodym-Eisen-Bor-Legierung. Diese sind jedoch ringförmig und beweglich angebracht. Dadurch können sich die Magnete drehen und so ihre Polung frei anpassen. Eine Kamera zeichnet die Bewegungen und Anordnung dieser farbkodierten Magnete auf, während sich die Flächen in unterschiedlichen Abständen gegeneinander verschieben. Die magnetischen Wechselwirkungen der Magnete in beiden Flächen erzeugen dabei eine klar messbare Reibungskraft.
Die Messungen zeigten Überraschendes: Entgegen den Erwartungen stieg die Reibungskraft nicht stetig mit zunehmender Annäherung der Flächen an. Stattdessen ergab sich eine deutlich gewölbte Kurve: Bei kleinen und großen Abständen war die Reibung vergleichsweise gering. Bei mittleren Abständen der beiden magnetischen Flächen erreichte sie dagegen ein Maximum. „Das steht in starkem Gegensatz zum Amontonsschen Gesetz, das besagt, dass der Reibungswiderstand proportional zum Andruck ist“, schreiben Gu und seine Kollegen. In diesem Fall entspricht der Andruck der Intensität der magnetischen Anziehungen zwischen den beiden Testflächen. Das Experiment zeigt, dass die Reibungskraft bei einer solchen magnetischen Interaktion durch andere Mechanismen geprägt wird. „Aus theoretischer Sicht ist besonders bemerkenswert, dass die Reibung hier nicht aus einem direkten Oberflächenkontakt entsteht, sondern aus der kollektiven Dynamik magnetischer Momente“, erläutert Co-Autor Anton Lüders von der Universität Konstanz, der ein theoretisches Modell für diesen Prozess entwickelt hat.
