Når dråber går hen over en væskeoverflade

Når en beholder med silikoneolie eller anden lignende væske rystes lodret med en regelmæssig frekvens, 1 millimeter store dråber af den samme væske placeret på væskens overflade ser ud til at "gå" hen over overfladen med hastigheder på omkring 1 cm/sekund, drevet frem af deres egne bølger. I en ny undersøgelse, fysikere har fundet ud af, at disse gående dråber kan være meget større (op til 2,8 mm i diameter) og hurtigere (5 cm/sekund) end tidligere observeret. Disse "superwalkere" udviser en bred vifte af aldrig før set adfærd, inklusive nye synkroniserede bevægelser.

Et af de interessante træk ved vandrere er, at mens deres bevægelser fuldstændigt kan forklares af klassisk mekanik, nogle af deres adfærd efterligner visse kvantefænomener, der typisk kun eksisterer på atomær skala. Eksempler på sådanne funktioner omfatter tunnelering, kvantiserede baner, og korrelationer mellem flere dråber. I en vis forstand, dråbemekanik kan ses som en kombination af klassisk og kvantemekanik, hvor både partikel- og bølgeadfærd eksisterer side om side.

Forskerne Rahil Valani og Anja Slim ved Monash University, og Tapio Simula ved Swinburne University of Technology, har udgivet et papir om superwalkerne i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"Superwalkere åbner en helt ny verden for at udforske inden for forskningsområdet for gående dråber, der allerede har vist eksotisk adfærd, " fortalte Simula Phys.org .

For at skabe en normal størrelse rollator, en beholder med væske rystes lodret med en regelmæssig frekvens, såsom 80 Hz. I den nye undersøgelse, forskerne viste, at når væsken samtidig drives af to frekvenser - f.eks. 80 Hz og dens subharmoniske frekvens 40 Hz - dråber placeret på overfladen bliver superwalkers. For at skabe superwalkerne, forskerne brugte enten en sprøjte (til større superwalkere) eller nedsænkede hurtigt og udtrak en nål fra væsken (til mindre).

På grund af deres store størrelse, superwalkers har stor inerti, hvilket betyder, at de modstår forandring. Superwalkers kan bruge deres inerti til at overvinde bølgebarrieren, der normalt forhindrer vandrere i at komme i kontakt med hinanden. Som resultat, disse superwalkers kan i højere grad interagere med hinanden på grund af deres overlappende bølgefelter. Denne interaktion fører til en masse ny og interessant adfærd, nogle af dem er vist i videoerne.

For eksempel, superwalkers kan binde tæt sammen i par eller grupper, kun adskilt af et meget tyndt lag luft. Hvis de har forskellige størrelser, de bevæger sig i en cirkulær bane, men hvis de har samme størrelse, de rejser i en lige linje.

Under andre forhold, superwalkere opfører sig som "chasere, "hvor mindre superwalkere vil jagte efter større, undertiden danner lange tog. Andre gange, superwalkerne danner "promenaderende par, "hvor de går side om side, preller af hinanden.

Nogle gange vil superwalkers kredse om hinanden, som binære stjerner, hvilket er noget, som vandrere i normal størrelse også gør. Men superwalkers udviser det nye træk, at de indimellem vender deres kredsløbsretning, hvis den ene superwalker er større end den anden.

Ved at justere oscillationsamplituderne og frekvenserne, forskerne afslørede anden ny adfærd. For eksempel, ved lave køreamplituder af 40-Hz vibrationer, superwalkerne antager en krystalkonfiguration. Når amplituden gradvist øges, superwalkerne begynder at jiggle, så mister deres krystalstruktur, og endelig begynder hurtigt at hoppe af hinanden som billardkugler. Forskerne sammenlignede denne dynamik med fast-væske-gas faseovergange, hvor amplituden fungerer som temperaturparameter.

Når den subharmoniske frekvens justeres lidt til 39,5 Hz, forskerne observerede, at superwalkerne udviste synkron stop-and-go-bevægelse, hvor de alle går synkront med hinanden, og så stop på samme tid, og så gå igen. Forskerne forklarer, at denne adfærd opstår, fordi den kontinuerligt varierende faseforskel mellem de to frekvenser får superwalkerne til at skifte frem og tilbage mellem superwalking og hoppende regimer.

Forskerne forventer, at fremtidig forskning vil afsløre mere indsigt i superwalkers kvantetræk.

"Disse gående dråber danner et fascinerende dynamisk system, hvor dråben på hvert spring skaber en bølge omkring sig selv, og disse bølger styrer igen dråbens bevægelse, resulterer i en bevægende bølge-dråbe-entitet, " sagde Valani. "Det har vist sig, at vandrerne efterligner adskillige kvantetræk, og det vil være interessant at udforske, hvordan supervandrere opfører sig i sådanne eksperimenter."

© 2019 Science X Network