El misterio de la levitación magnética por rotación

Todo empezó en 2021, cuando el científico turco Hamdi Ucar dio a conocer un experimento cuyos resultados fueron insólitos. Sujetó un imán al extremo giratorio de una herramienta accionada por un motor y de ese modo pudo hacer girar muy deprisa al imán. La herramienta giratoria empleada es de uso común y del mismo estilo que un taladro eléctrico cotidiano.

Lo sorprendente ocurrió cuando acercó el imán en rotación a un segundo imán. Este empezó también a girar pero, de repente, quedó suspendido en una posición fija a muy pocos centímetros de distancia.

Aunque la levitación magnética no es nada nuevo (el ejemplo más conocido son probablemente los trenes Maglev, que se basan en una fuerte fuerza magnética para elevarse y propulsarse), el experimento desconcertó a los físicos, ya que este fenómeno no estaba descrito por la física clásica o, al menos, por ninguno de los mecanismos conocidos de levitación magnética.

Un equipo integrado, entre otros, por Rasmus Bjørk y Joachim Marco Hermansen, ambos de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), quedó también intrigado por el experimento de Ucar y se dispuso a replicarlo y a intentar averiguar qué ocurre exactamente.

Replicarlo fue fácil. De hecho, podía hacerse utilizando componentes vulgares, disponibles en cualquier tienda especializada, pero la física subyacente en el fenómeno resultó ser más extraña de lo que los autores del estudio pensaban que sería.

"Los imanes no deben flotar cuando están juntos. Normalmente, se atraen o se repelen. Pero resulta que si se hace girar uno de los imanes, se puede conseguir que flote. Y esa es la parte extraña. La fuerza que afecta a los imanes no debería cambiar por el mero hecho de hacer girar uno de ellos, así que parece que hay un acoplamiento entre el movimiento y la fuerza magnética", explica Bjørk.

Ejemplo de levitación magnética por rotación. El imán sujeto en la punta de la herramienta giratoria está rotando a gran velocidad y el otro imán está flotando ante él. (Foto: DTU)

En los experimentos se utilizaron varios imanes de distintos tamaños, pero el principio seguía siendo el mismo: al girar un imán muy deprisa, los investigadores observaban cómo otro imán cercano, denominado "imán flotante", empezaba a girar hasta levitar y quedarse suspendido a una distancia fija del otro imán.

El imán flotante se orientaba cerca del eje de rotación y hacia el polo del mismo tipo del otro imán. Así, por ejemplo, el polo norte del imán flotante, mientras giraba, permanecía orientado hacia el polo norte del imán fijo.

Esto es diferente de lo que se esperaría basándose en las leyes de la magnetostática, que explican cómo funciona un sistema magnético estático. Sin embargo, resulta que las interacciones magnetostáticas entre los imanes giratorios son las responsables de crear la posición de equilibrio del imán flotante, como comprobó Frederik L. Durhuus de la Universidad Técnica de Dinamarca y coautor del estudio, utilizando simulaciones del fenómeno.

Los autores del estudio observaron que el tamaño del imán influye mucho en la dinámica de la levitación: imanes más pequeños requieren mayores velocidades de rotación para la levitación.

"Resulta que el imán flotante tiene tendencia a alinearse con el imán giratorio, pero no puede girar lo bastante rápido para hacerlo. Por eso, mientras se mantenga esta situación, flotará", explica Rasmus Bjørk. "Se puede comparar con una peonza. No se mantiene en pie si no está girando. Solo se mantiene en su posición gracias a la rotación. Cuando la rotación pierde energía, la fuerza de la gravedad (o, en nuestro caso, el repulsión y la atracción de los imanes) es lo suficientemente grande como para anular ese equilibrio".

El nuevo estudio se titula “Magnetic levitation by rotation”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review Applied. (Fuente: NCYT de Amazings)