Если расположить два магнита одноимёнными полюсами друг к другу, они отталкиваются. Возникает естественный вопрос: нельзя ли подобрать расстояние, на котором верхний магнит просто повиснет? По вертикали можно приблизиться к равенству магнитной силы и веса, но равновесие всё равно оказывается неустойчивым: магнит уходит в сторону или поворачивается.
Равновесие не равно устойчивости
Устойчивым мы называем такое положение, в которое предмет возвращается после небольшого отклонения. Шарик на дне чаши возвращается, а шарик на вершине холма скатывается, хотя мгновение на самой вершине тоже может находиться в равновесии.
Для свободного постоянного магнита мало уравновесить силу тяжести. Нужно также удержать его от бокового смещения и поворота. Простая неподвижная система из обычных постоянных магнитов этого, как правило, не обеспечивает. Именно поэтому в видеодемонстрации попытка с неподвижной парой не похожа на устойчивое «зависание».
Как здесь помогает теорема Ирншоу
Теорема Ирншоу описывает ограничения на устойчивое равновесие в определённых статических полях. В популярном изложении её часто сокращают до фразы «магнитная левитация невозможна», но это неверно. Вывод относится к определённой конфигурации пассивных статических взаимодействий, а не ко всем материалам и способам управления магнитами.
Показателен контрпример: диамагнитные материалы слабо отталкиваются от магнитного поля и при достаточно сильных полях могут левитировать. В других системах устойчивость создаётся электрическим управлением, вращением, индукцией или свойствами сверхпроводника. Никакого нарушения физического закона здесь нет: меняются его предпосылки.
Известные способы удержать предмет
Активные электромагниты измеряют положение объекта и меняют ток, когда тот отклоняется. Так можно стабилизировать то, что в пассивной схеме было бы неустойчивым. Это принципиально отличается от попытки сложить два неподвижных магнита.
Магнитный волчок использует быстрое вращение и гироскопическую устойчивость. Вращение не заставляет вес исчезнуть, зато помогает сохранить нужную ориентацию магнита.
Сверхпроводники второго рода могут удерживать конфигурацию благодаря закреплению магнитного потока. Для этого нужен подходящий материал при температуре ниже критической. Диамагнитная и индукционная левитация опираются на другие свойства вещества и изменяющееся поле.
Что особенного в опыте с ротором
Рядом с вращающимся магнитом свободный магнит движется и ориентируется иначе, чем рядом с неподвижным. Авторы экспериментальной работы исследовали это устойчивое состояние и показали роль синхронизации движения и ориентации магнитного момента. Система не является статической, поэтому запрет, относящийся к простой неподвижной паре, к ней неприменим в прежнем виде.
Главный вывод: проблема не в том, что магнитным силам «не хватает мощности». Нужна устойчивость по всем важным степеням свободы. Вращение — один из способов её получить, но не единственный и не универсальный.