На иллюстрации представлен любопытный процесс формирования стоячих волн жидкости пятиугольной и четырехугольной форм. Xinyun Liu et al. / Nature Physics. Группа китайских исследователей провела серию изысканий по генерации динамически связанных правильных многоугольников, в том числе т.н. гептагонов, путем формирования стоячих волн Фарадея. Для достижения указанного результата ученые подвергали вертикальным колебаниям с частотой нескольких герц глубокую сковороду (ВОК) и керамическую чашу с водой. Данная работа, устанавливающая связь между динамикой классических и квантовых жидкостей, была опубликована в журнале Nature Physics. Стоячие волны Фарадея представляют собой нелинейные колебания на поверхности вибрирующих сосудов.
Например, их можно наблюдать в поющих чашах, границах раздела фаз или даже в поведении дождевых червей (за что в 2020 году австралийские ученые получили Шнобелевскую премию по физике).
Зачастую они могут помогать эффективно перемешивая компоненты, но мешают изучению поверхностных явлений. Иногда в каплях за счет возникновения нелинейных стоячих волн могут формироваться симметричные фигуры, но этот эффект был довольно слабым — амплитуда колебаний таких капель составляла примерно миллиметр, а в образовании упорядоченной структуры большую роль играл капиллярный эффект.
Физики Лю Синь Юнь (Xinyun Liu) и Ван Синь Лун (Xinlong Wang) из Нанкинского университета рассмотрели поведение тонкого слоя воды в вертикально вибрирующем сосудах параболической формы. Для этого они заполнили водой напечатанный фотополимерным методом сосуд параболической формы с высотой в четыре сантиметра и диаметром в 20 сантиметров. А затем поместили сосуд на электромагнитную мешалку, возбуждая вибрации низкой частоты.
Авторы начали возбуждение волн Фарадея с генерации частоты в 2,5 Герца. Уже при 2,7 Герца появился всплеск, обозначающий нулевую моду. Затем при частоте 3,75 Герца поверхность воды начинала сжиматься и растягиваться в двух направлениях, формируя эллипс, амплитуда колебаний которого росла до стационарной величины с увеличением частоты. При дальнейшем увеличении частоты вибрации сосуда физикам удалось наблюдать так же все фигуры вплоть до пентагона. При этом чем дольше наблюдались биения, тем более явно выраженные структуры получались. Более того, чем больше углов в фигуре, тем быстрее она релаксировала после отключения вибраций, что связано с большей вязкой потерей энергии на дне и на границах фигур.
Многоугольники в привычных сосудах. (Сверху) Фигуры в керамической миске, (снизу) фигуры в стальной сковороде. Xinyun Liu et al. / Nature Physics
Зависимость формы стоячей волны от частоты вертикальной вибрации. Xinyun Liu et al. / Nature Physics
Пронаблюдать такое поведение получилось и в повседневных предметах: в китайской стальной сковороде (вок) и в керамической чаше. Так что эти опыты можно повторить и в домашних условиях. Для описания возникновения волн Фарадея авторы рассмотрели линейную модель, которая довольно четко описывает эту систему в зависимости от геометрии поверхности сосуда и частоты вертикальной вибрации. Так как размер сковороды был в 2,5 раза больше, то в нем удалось возбудить и стоячие волны в форме гексагона и гептагона, которая практически полностью совпала с расчетом для идеальной жидкости без диссипации энергии.
К тому же, авторы заметили, что уравнения, описывающие поведение многоугольных стоячих волн Фарадея, описывают также и коллективные колебания конденсата Бозе — Эйнштейна. А потому изучая гидродинамику мелководных волн можно будет лучше изучать квантовые свойства материи.
Расчет фигур стоячих волн из обобщенных уравнений для Бозе-Эйнштейновского конденсата. Xinyun Liu et al. / Nature Physics
Биения между формами пентагона и квадратом. Xinyun Liu et al. / Nature Physics
Физики уже не в первый раз строят аналогии между поведением классической жидкости и квантовыми явлениями. Например, с помощью бассейна с маслом физики воспроизвели сверхизлучение атомов, что возможно использовать в вероятностных гидромеханических вычислениях.
Стоячие волны жидкости: настоящее, будущее и российские разработки
Изучение стоячих волн жидкости правильной формы (включая параметрические волны Фарадея, образующие при вибрации строгие геометрические узоры — квадраты, шестиугольники и другие многоугольники) позволяет решать как фундаментальные задачи физики, так и прикладные инженерные проблемы. Поскольку стоячая волна не переносит энергию, а локализует её в пучностях и узлах, она становится идеальным инструментом для бесконтактного управления веществом.
- Настоящее: для чего их изучают сегодня
- Акустофлюидика и бесконтактное манипулирование: С помощью ультразвуковых стоячих волн в микроканалах ученые создают акустические пинцеты. Жидкие частицы или биологические клетки собираются в узлах волны. Это позволяет разделять, сортировать и перемещать клетки (например, отделять эритроциты от плазмы крови) без механического контакта, повреждающего биоматериал.
- Управление фазовыми переходами и очистка: Стоячие волны используются для дегазации жидкостей (пузырьки газа собираются в пучностях волны и быстрее укрупняются/выходят наружу), а также для очистки технических жидкостей и рафинирования расплавов металлов от примесей без применения сетчатых фильтров.
- Моделирование квантовых систем (аналоговая гидродинамика): Капли жидкости на колеблющейся поверхности («ходячие капли») ведут себя подобно квантовым частицам. Изучение правильных геометрических структур волн Фарадея помогает визуализировать волновые функции электронов и дуализм волна-частица на макроуровне.
- Космические технологии: В условиях невесомости стоячие волны — один из немногих способов удерживать жидкое топливо или расплавы в заданной правильной форме внутри резервуаров без соприкосновения со стенками.
- Будущее: перспективные направления
- Биопечать органов и тканей: Геометрически правильные сетки стоячих волн исследуются как «шаблоны» для клеточной инженерии. Клетки мгновенно выстраиваются в пространственные узлы правильной формы (например, формируя будущие капиллярные сетки), что кардинально ускорит печать живых тканей и органов.
- Фармацевтика и «лаборатории на чипе»: Микроскопические смесители и реакторы нового поколения будут полностью управляться звуковыми и капиллярными стоячими волнами, обеспечивая идеальное смешивание сверхмалых объемов лекарств на молекулярном уровне.
- Сверхпроводники и новые материалы: Понимание того, как упорядоченные волновые структуры в жидкостях влияют на кристаллизацию, позволит выращивать идеальные монокристаллы и новые типы пористых метаматериалов с контролируемыми свойствами.
- Что происходит в России
Российская академическая школа имеет сильные традиции в изучении волновых процессов (гидродинамика, физика нелинейных колебаний и акустика).
- Фундаментальные исследования: Ведущие работы ведутся в институтах Российской академии наук. Например, в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) активно исследуются нелинейные поверхностные волны, капиллярные эффекты и волны Фарадея. В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск) изучают пространственные стоячие волны на поверхности вязких и магнитных жидкостей.
- Сейсмоакустика и промышленность: Метод пассивных стоячих волн успешно применяется для неразрушающего контроля крупных инженерных объектов. В Институте нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН разработаны технологии, оценивающие состояние мостов, плотин ГЭС (включая Саяно-Шушенскую и плотины в зоне вечной мерзлоты) по их собственным волновым резонансам.
- Микрофлюидика: Российские лаборатории (в МГУ, СПбГУ и Сколтехе) разрабатывают отечественные акустофлюидные чипы для медицинской диагностики и экспресс-анализов крови, используя ультразвуковые стоячие волны.
Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/
