Эти левитирующие бусины могут научить физиков вращению небесных объектов

Манипулируемые звуковыми волнами, эти плавающие частицы могут дать подсказки о физике астероидов и черных дыр.

Отредактировано 2023-25-06
куча бусинок слипается и парит в воздухеЗдесь нет никакого волшебного трюка.

Левитация может показаться суперспособностью из научной фантастики. Но в отличие от Доктора Стрэнджа, ученым не нужны заклинания, чтобы подвешивать предметы в воздухе и манипулировать ими. В исследовании, опубликованном на прошлой неделе в журнале Physical Review X, физики из Чикагского университета и Университета Бата описали способ использования силы звука для того, чтобы заставить сгустки пластиковых частиц плавать, вращаться и распадаться на части. Их выводы могут помочь нам понять физику других быстро вращающихся объектов, включая черные дыры, атомные ядра и астероиды.

"Акустическая левитация - это очень крутой способ манипулирования объектами, потому что она буквально использует что-то очень похожее на громкоговоритель", - говорит ведущий автор исследования Мелоди Лим, экспериментальный физик по мягкой материи из Университета Чикаго.

Лим и ее коллеги надеются усовершенствовать этот вид левитации, чтобы использовать его для перемещения и манипулирования объектами, не прикасаясь к ним. Это имеет огромное количество потенциальных применений: некоторые физики даже исследуют акустическую левитацию как средство перестановки клеток для целей тканевой инженерии.

Лим и ее команда поместили крошечные круглые пластиковые частицы - менее одного миллиметра в диаметре каждая - в прозрачную коробку. Чтобы создать силу, достаточную для их плавания и перемещения, они поместили внутрь коробки динамик, который мог генерировать стоячие волны - неподвижный тип звуковой волны. Лим сравнивает ее с колебаниями скрипичной струны.

Волны заставляли бусинки подпрыгивать и собираться вместе во взвешенном состоянии, образуя единый слой маленьких частиц в круге. В этой левитирующей конфигурации звуковые волны создают слабое притяжение, или когезионную силу, между частицами - "вы можете думать об этом как о своего рода липком клее, который удерживает все вместе", - говорит Лим. Когда Лим и его команда настраивали частоту звука, выходящего из динамика, круглый комок колебался, как плот на каменистом берегу океана, а затем начинал вращаться.

Представьте, что вы катаетесь на карусели, которая набирает скорость. Чем быстрее она вращается, тем большую центробежную силу вы испытываете, в результате чего качели, на которых вы висите, начинают отклоняться наружу, вместо того чтобы висеть прямо вниз. По сути, именно это происходит с плавающим диском частиц, объясняет Лим. Но в данном случае нет нитей, связывающих плавающие частицы вместе.

При дальнейшей манипуляции звуковыми волнами "она достигает точки, где вращается так быстро, как только возможно", - говорит Лим. "Тогда эта толкающая сила оказывается сильнее, чем клей, связывающий частицы вместе, и все это должно изменить форму".

На таких высоких скоростях центробежная сила разрывает комок частиц и растягивает его в более длинный и тонкий сгусток, или даже разбивает на более мелкие фрагменты. Интересно, что фрагменты в конце концов снова склеиваются в единый круглый диск.

"В этом эксперименте мы выясняем, насколько сильно [вращающемуся диску] не нравится, когда что-то находится снаружи, а что-то внутри?" - говорит Лим. По ее словам, подобно каплям воды, частицы скорее стягиваются в компактные круги, которые уменьшают площадь поверхности. "Ему не очень нравится длинная вытянутая форма, потому что тогда многие частицы как бы сидят снаружи, и это не очень радует".

На астероидах могут происходить аналогичные процессы, считает Лим. Астероиды, расположенные в поясе астероидов, представляют собой существенные скопления камней, связанных вместе гравитацией и нагретых солнцем. "Одна из гипотез заключается в том, что Солнце светит на одну сторону астероида, а значит, эта сторона более горячая, - говорит Лим. Под воздействием тепла камни, обращенные к Солнцу, извергают газ. "Это похоже на то, как если бы вы только что включили маленький газовый двигатель, который прикреплен только к одной стороне вашего астероида", - говорит она, - что постепенно раскручивает астероид.

Подобно крошечным частицам в эксперименте Лима, вращение со временем становится все быстрее и быстрее, потенциально заставляя структуру менять форму. Но массивные размеры астероидов и медленное вращение от далекого Солнца затрудняют изучение этого явления.

"Измерения этого эффекта для астероидов говорят, что время, необходимое для удвоения скорости вращения этой штуки, составляет порядка 100 000 лет", - говорит Лим. По ее словам, потребуется много времени, чтобы сила вращения заметно изменила форму астероида.

Миниатюрная система акустической левитации, разработанная исследовательской группой, может имитировать физику этих небесных тел, а также других вращающихся объектов, таких как черные дыры и атомные ядра, чтобы лучше раскрыть процессы, которые иначе было бы сложно изучить, говорит Лим. Помимо практического применения, говорит Лим, ее также заворожила красота этого явления.

"Я начала понимать, что когда множество левитирующих частиц собираются вместе, они образуют очень интересные визуальные структуры", - говорит она. "В устройстве акустической левитации они делают все эти увлекательные вещи, например, вращаются, разделяются и сливаются, образуя более крупные капли. Это было действительно эстетично".