Fysikere opdager en simpel fremdriftsmekanisme for kroppe i tætte væsker

Et team af forskere fra Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Universitetet i Liège og Helmholtz Institut Erlangen-Nürnberg for Vedvarende Energi har udviklet en mikrosvømmer, der ser ud til at trodse væskedynamikkens love:Deres model, bestående af to perler forbundet med en lineær fjeder, drives frem af fuldstændig symmetriske svingninger. Kammusling-sætningen siger, at dette ikke kan opnås i væskemikrosystemer. Resultaterne er nu offentliggjort i det akademiske tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Kammuslinger kan svømme i vand ved hurtigt at klappe deres skaller sammen. De er store nok til stadig at kunne bevæge sig fremad gennem inertimomentet, mens kammuslingen åbner sin skal til næste slag. Imidlertid, kammusling-sætningen gælder mere eller mindre afhængigt af væskens tæthed og viskositet:En svømmer, der laver symmetriske eller gensidige fremad- eller tilbagegående bevægelser svarende til åbningen og lukningen af ​​kammuslingens skal, vil ikke bevæge sig en tomme. "At svømme gennem vand er lige så hårdt for mikroskopiske organismer, som at svømme gennem tjære ville være for mennesker, " siger Dr. Maxime Hubert. "Det er grunden til, at encellede organismer har forholdsvis komplekse fremdriftsmidler såsom vibrerende hår eller roterende flageller."

Svømning i mesoscale

Dr. Hubert er postdoc i Prof. Dr. Ana-Suncana Smiths gruppe ved Institut for Teoretisk Fysik ved FAU. Sammen med forskere ved University of Liège og Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy, FAU-holdet har udviklet en svømmer, der ikke synes at være begrænset af kammusling-sætningen:Den simple model består af en lineær fjeder, der forbinder to perler af forskellig størrelse. Selvom fjederen udvider sig og trækker sig symmetrisk sammen under tidsvending, mikrosvømmeren er stadig i stand til at bevæge sig gennem væsken.ü

"Vi testede oprindeligt dette princip ved hjælp af computersimuleringer, " siger Maxime Hubert. "Så byggede vi en fungerende model." I det praktiske eksperiment, forskerne placerede to stålperler, der kun målte et par hundrede mikrometer i diameter, på overfladen af ​​vand i en petriskål. Vandets overfladespænding repræsenterede fjederens sammentrækning og ekspansion i den modsatte retning blev opnået med et magnetfelt, som fik mikroperlerne til periodisk at frastøde andre.

Vision:Svømmerobotter til transport af stoffer

Svømmeren er i stand til at drive sig selv, fordi perlerne er af forskellige størrelser. Maxime Hubert siger, "Den mindre vulst reagerer meget hurtigere på fjederkraften end den større vulst. Dette forårsager asymmetrisk bevægelse, og den større vulst trækkes sammen med den mindre vulst. Vi bruger derfor inertiprincippet, med den forskel, at vi her er optaget af samspillet mellem legemerne frem for samspillet mellem legemer og vand."

Selvom systemet ikke vil vinde nogen præmier for hastighed - det bevæger sig fremad omkring en tusindedel af sin kropslængde under hver svingningscyklus - er den store enkelhed i dets konstruktion og mekanisme en vigtig udvikling. "Det princip, vi har opdaget, kunne hjælpe os med at konstruere små svømmerobotter, " siger Maxime Hubert. "En dag kan de blive brugt til at transportere stoffer gennem blodet til et præcist sted."