Levitação magnética por rotação é finalmente explicada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/10/2023

É uma levitação magnética tão simples que ela logo estará em todas as feiras de ciências.
[Imagem: Hermansen et al. - 10.1103/PhysRevApplied.20.044036]

Levitação magnética rotativa

A levitação magnética é comum em trens flutuantes e máquinas de alta velocidade.

Mas, há pouco mais de dois anos, Hamdi Ucar, engenheiro de uma empresa turca, descobriu um novo tipo de levitação magnética: Basta colocar um ímã preso em uma ferramenta rotativa, como um microrretífica que muitos têm em casa, fazê-lo girar e então aproximá-lo de um segundo ímã, para que este segundo ímã seja suspenso no ar.

Em seu experimento original, o engenheiro conectou um ímã - o rotor - ao mandril de uma microrretífica de modo que o eixo pólo a pólo do ímã ficasse orientado perpendicularmente ao eixo de rotação do motor. A máquina foi ajustada para cerca de 10.000 rpm e mantida acima de um segundo ímã - o flutuador - que entrou em movimento e levitou para cima até flutuar no espaço alguns centímetros abaixo do primeiro ímã.

Ao contrário do conhecido brinquedo pião magnético, que tem uma rotação lenta, o ímã flutuante é acelerado a uma alta velocidade de rotação pelo movimento do rotor. As forças magnéticas também fazem mais do que apenas contrariar a gravidade - elas prendem o flutuador, mesmo quando o sistema é virado lateralmente para tornar o eixo de rotação horizontal.

O fenômeno é tão inusitado que só agora Joachim Hermansen e colegas da Universidade Técnica da Dinamarca conseguiram explicar como isso é possível. Ucar apresentou em seu artigo científico uma variedade de configurações experimentais em que o fenômeno se manifesta, mas ele não discutiu ou decifrou os mecanismos físicos que possam explicá-lo.

Algumas das muitas variações do experimento.
[Imagem: Hamdi Ucar]

Explicando a levitação

Hermansen e seus colegas queriam entender melhor essa levitação magnética dinâmica, e então reconstruíram os experimentos usando apenas ferramentas comuns: ímãs de neodímio, cola e uma microrretífica Dremel.

A partir daí, porém, eles apostaram no rigor científico, selecionando e medindo tudo criteriosamente, do diâmetro e da força do campo magnético de cada ímã (em teslas) às rotações. Usando equipamento de gravação e software de rastreamento de movimento, os pesquisadores conseguiram finalmente desvendar os detalhes do movimento do ímã levitado.

O que se viu foi que, quando o flutuador começou a girar, ele travou na frequência do ímã do rotor. Além disso, o ímã levitando assumiu uma orientação vertical - especificamente, seu eixo polar alinhado com o eixo de rotação, mas com alguns graus de inclinação. Esta configuração, na qual os eixos polares dos dois ímãs são quase perpendiculares entre si, normalmente seria instável.

Entraram em cena então as simulações numéricas, para tentar encontrar a fonte da estabilidade observada nos experimentos. Os dados mostraram que o campo magnético giratório do rotor exerce um torque no flutuador, puxando-o para uma rotação travada em frequência. Devido à ação giroscópica dessa rotação, o eixo polar do flutuador inclina-se apenas um pouco, resistindo ao torque que o colocaria em uma configuração paralela à do rotor.

Quanto à levitação, um pequeno desalinhamento do eixo polar do rotor em relação à horizontal resulta em uma componente estática do campo magnético do rotor ao longo do eixo de rotação. Com o campo estático e a configuração quase perpendicular, a força magnetostática exercida sobre o flutuador tem uma componente atrativa e uma repulsiva que se equilibram em um ponto abaixo do rotor.

Como o fenômeno emerge em um aparato extremamente simples, a equipe acredita que ele poderá vir a ser usado em diversas aplicações de robótica e sistemas de posicionamento para uso científico e industrial - e, claro, para muitas feiras de ciências.

Mais tópicos