Las bolas magnéticas brindan emocionantes avenidas para explorar muchos fenómenos fundamentales de la física. Se pueden ensamblar a mano en cadenas y estructuras más complejas y se pueden usar para modelar las propiedades de materiales que no se pueden estirar que, como el papel, arrugarse bajo ciertas condiciones de carga.

Las bolas magnéticas apiladas una encima de la otra en cadenas verticales permanecen estables, pero solo para ciertas elecciones de parámetros destacados. 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 máxima de una cadena de bolas magnéticas que se pueden equilibrar verticalmente sin volcarse, un fenómeno simple pero importante relacionado con la estabilidad de las bolas magnéticas. cadenas. Usando teoría y análisis matemático en combinación con datos experimentales, determinaron los valores de los parámetros críticos en los que las cadenas pierden estabilidad en diversas circunstancias.

Los resultados, publicado en Actas de la Royal Society of London Serie A , podría proporcionar información sobre la estabilidad de los materiales inalterables utilizados en el diseño arquitectónico a gran escala. Esto tiene muchas aplicaciones prácticas en la construcción, desde las chimeneas de las centrales eléctricas de hormigón hasta las cubiertas exteriores de los cohetes.

Primero, consideraron una sola cadena fijada en su base hecha de bolas magnéticas de 5 mm de diámetro, cada uno 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 10 bolas se dobla por su propio peso.

"Es una competencia entre la fuerza magnética y la gravedad, "dice el Dr. Schönke." Cuando la cadena llega a 10 bolas, la gravedad gana sobre la fuerza magnética, y la cadena pierde estabilidad ".

Próximo, el equipo analizó el caso de dos cadenas, uno está sujeto al suelo y el otro colgando arriba con un espacio de la longitud prescrita en el medio. Cuando los campos magnéticos se alinearon de tal manera que la cadena superior y la cadena inferior se atrajeron magnéticamente entre sí, 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 fijada, 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, la 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 de modo que la dirección del campo magnético de la cadena superior opuesta a la de la cadena inferior fija. Debido a la fuerza de repulsión resultante entre las dos cadenas, la cadena inferior solo se mantiene estable con ocho bolas, una bola menos que una cadena fija única estable y dos bolas menos que una cadena inferior fija estable atraída por una cadena superior suspendida.

"Descubrimos que la estabilidad de las cadenas magnéticas está determinada por el número de bolas en una cadena, el tamaño del espacio 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 Matemática de Materia Blanda 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, tales como tubos cilíndricos compuestos por anillos circulares apilados. Si los anillos están empaquetados en escuadra de manera que cada bola esté en contacto con solo sus cuatro vecinos inmediatos, puede deformarse de muchas formas.

En comparación con los anillos empaquetados cuadrados, anillos empaquetados hexagonalmente en los que cada bola está en contacto con sus seis vecinas, 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 inalterables como el papel.

“Uno de los próximos pasos es realizar simulaciones más dinámicas utilizando tubos cilíndricos de bolas magnéticas y determinar los valores de los parámetros críticos en los que las estructuras configuradas de esta manera pierden estabilidad, "dice el Dr. Schönke.