Африканский музыкальный инструмент превратили в датчик плотности
Американские инженеры создали на основе африканского музыкального инструмента калимба устройство, позволяющее измерять плотность жидкости с точностью 0,012 грамма на миллилитр. Это устройство можно использовать для выявления загрязненной воды или обнаружения токсичных жидкостей, рассказывают авторы в журнале ACS Omega.
Калимба представляет собой музыкальный инструмент, состоящий из деревянной пластины или полого деревянного резонатора, на котором с помощью двух металлических труб или пластин закреплены металлические язычки разной длины и ширины. Для извлечения звука из калимбы язычок отгибают или наоборот нажимают и отпускают. Высота тона зависит от частоты колебаний каждого язычка, которая в свою очередь обусловлена пятью параметрами, в том числе размером язычка и его плотностью.
Уильям Гровер (William Grover) и его коллеги из Калифорнийского университета в Риверсайде нашли способ использовать это свойство для измерения плотности жидкостей. Для этого они модифицировали калимбу, оставив исходную конструкцию крепления язычков, но заменив сами язычки на полую металлическую трубку, которая изогнута посередине и закреплена обоими концами. Принцип действия прибора основан на том, что при вливании в трубку жидкости общая плотность язычка меняется, что приводит к изменению высоты звука. Поскольку все влияющие на звук параметры, кроме плотности, известны и не меняются, для калибровки инструмента нужно провести несколько измерений частоты с находящимися внутри жидкостями известной плотности.
Инженеры провели тесты на нескольких растворах соли (NaCl) с различными концентрациями. Благодаря этому они получили калибровочную постоянную, позволяющую рассчитывать плотность находящегося в трубке материала по частоте звука. Разработчики создали сайт, на котором пользователь может загрузить аудиозаписи звучания калимбы с жидкостью в трубке и получить рассчитанное значение плотности.
В качестве примера использования инструмента инженеры показали, что с его помощью можно различать внешне похожие глицерин и токсичный для человека диэтиленгликоль. Кроме того, исследователи отмечают, что по высоте звука можно очень точно измерять длину самой трубки. Они не проводили экспериментальную проверку, но расчеты показали, что точность измерения с помощью созданной ими калимбы может достигать 24 микрометров, что сопоставимо размерами клеток крови. В будущем ученые намерены создать на базе этого эффекта и сверхточную линейку.
Ранее корейские инженеры научили смартфон распознавать предметы по звуку, возникающему при столкновении с ними. Разработчики предложили использовать это для запуска соответствующих функций и приложений, к примеру, фитнес-трекера при стуке о велосипед.
Григорий Копиев
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.