Перевернутые кораблики отправили в плавание по левитирующему слою жидкости

Физики экспериментально исследовали поведение объектов, которые размещались в левитирующем под действием вертикальной вибрации слое вязкой жидкости. Оказалось, что при создании специальных условий у нижней поверхности этого слоя удается достичь плавания предметов. По внешним признакам это явление зеркально копирует обычное плавание (у верхней границы слоя) — как если бы сила тяжести (и вместе с ней выталкивающая сила) поменяла свое направление. Статья опубликована в журнале Nature.

В случае, если физическая система испытывает механические колебания, в ней могут возникать вибрационные силы — результат усредненного (за период колебаний) силового воздействия от вибраций. В совокупности с теми силами, которые действуют без участия вибраций, вибрационные силы могут значительно влиять на общее поведение системы и создавать в ней контринтуитивные эффекты. Так, маятник Капицы — математический маятник с вертикально вибрирующим подвесом — может колебаться в перевернутом положении, поскольку вибрационная сила со стороны подвеса, который попеременно тянет и толкает спицу маятника, преодолевает (при достаточно высокой частоте вибраций) силу тяжести и не дает маятнику упасть.

Подобного явления можно добиться, если подвергнуть вертикальным колебаниям слой вязкой жидкости, который находится в сосуде над слоем воздуха. В такой ситуации вибрационные силы могут препятствовать формированию капель на нижней поверхности и последующему утеканию вещества под действием гравитации: жидкость начинает левитировать.

Французские ученые под руководством Бенжамена Апффеля (Benjamin Apffel) и Филипа Новкоски (Filip Novkoski) из Высшей школы промышленной физики и химии города Париж провели эксперимент по исследованию поведения объектов, которые находятся в левитирующем под действием вибраций слое вязкой жидкости.

Для стабилизации поверхности жидкого слоя при вибрациях авторы использовали силиконовое масло и глицерин — вещества с высокой вязкостью (0,2–1 паскаль-секунд, тогда как у воды при комнатной температуре — примерно тысячная доля паскаль-секунды). Чтобы заставить жидкость левитировать, физики наливали ее (в количестве до 20 литров) в сосуды прямоугольного сечения (шириной в диапазоне 2–20 сантиметров), которые помещали на вибрирующую (в области частот около 60–130 герц) опору, а затем через шприц постепенно наполняли пространство под жидкостью воздухом.

Когда положение левитирующего жидкого слоя становилось стабильным, исследователи помещали небольшие предметы — двухсантиметровые шары разных масс (около 3–7 граммов) и игрушечные кораблики (примерно того же размера) — вблизи верхнего и нижнего поверхностных слоев и наблюдали за их движением. Кроме того, ученые численно моделировали поведение системы, условно представляя нижний слой воздуха как пружину, которая нагружена слоем жидкости и совершает вынужденные вертикальные колебания.

В результате оказалось, что предметы, расположенные у нижней поверхности жидкости, зеркально повторяют поведение предметов у верхней границы слоя и плавают в перевернутом положении — как если бы гравитация изменила свое направление. При этом более массивные объекты помещались в жидкость глубже (то есть, вопреки интуиции, располагались выше, чем их легкие аналоги), однако самые тяжелые предметы (шары начиная с массы около 6 граммов) падали до того, как успевали нарушить стабильность нижней поверхности. Кроме того, в пределах ошибки измерений ученым удалось подтвердить прогнозы выдвинутой модели о величине скорости колебаний, необходимой для стабилизации жидкого слоя данных размеров.

Авторы предложили также физическую интерпретацию наблюдаемому эффекту. По их словам, поведение системы можно объяснить тем, что при вибрациях колеблется и величина погруженного в жидкость объема тела — при усреднении во времени это приводит к появлению вибрационной силы, которая втягивает предмет внутрь жидкого слоя и компенсирует силу тяготения.

Ученые полагают, что будущие исследования эффектов вблизи нижней поверхности левитирующей жидкости позволят расширить экспериментальные знания о явлениях на границе раздела жидкостей и воздуха и позволят понять, как на них влияют смена обычного взаимного расположения этих сред и пространственные колебания.

Ранее мы рассказывали и о других необычных взглядах ученых на плавание. Так, в 2015 году японский физик смоделировал движение «пловцов» внутри сверхтекучей жидкости, а в июле 2017 китайские исследователи разработали микророботов, которые способны плавать внутри кровеносных сосудов.

Николай Мартыненко