Обертон ускорил капли над поверхностью вибрирующего силиконового масла

Австралийские физики исследовали движение капель, которые образуются над поверхностью вибрирующего силиконового масла, и обнаружили несколько новых типов капель и коллективного движения. В отличие от предыдущих экспериментов ученые добавили к основной частоте колебаний обертон. По словам исследователей, такая гидродинамическая система позволяет моделировать квантовомеханиеские процессы. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Если бросить каплю жидкости в чашку с той же самой жидкостью, капля практически сразу утонет. Если же заставить жидкость в чашке вибрировать с определенной частотой, «капля-утопленник» превратится в «каплю-ходока» (walker), которая бегает по поверхности, словно водомерка. Для этого частота вибраций должна быть немного ниже порога нестабильности, выше которого поверхность жидкости покрывается так называемой рябью Фарадея — системой стоячих волн, пронизывающих поверхность. Собственно, «ходоки» перемещаются именно за счет этих волн, которые возбуждаются при падении капли, ускоряют ее, а потом затухают из-за недостатка закачиваемой в систему энергии. Чем ближе частота колебаний к пороговой частоте, тем меньше этот недостаток, тем дольше живут возбужденные волны и тем сложнее становится движение капель.

Лучше всего поведение «капель-ходоков» изучено на примере силиконового масла, для которого критическая частота колебаний составляет примерно 80 Герц. В этом случае характерный размер «ходока» составляет чуть меньше 0,5 миллиметра, а характерная скорость движения — 15 миллиметров в секунду. Тем не менее, даже в этом случае все исследования ограничивались только одной «почти критической» частотой возбуждений, хотя в полноценной ряби Фарадея обертоны представлены наравне с основным тоном.

Группа исследователей под руководством Тапио Симула (Tapio Simula) впервые исследовала ситуацию, в которой поверхность жидкости одновременно возбуждается на «почти критической» и «почти полукритической» частоте. Как и в большинстве экспериментов с «ходоками», ученые использовали в качестве жидкости силиконовое масло с вязкостью около 0,2 стокса. Жидкость физики наливали в емкость диаметром 18 сантиметров и глубиной 8 миллиметров, а колебания возбуждали с помощью сабвуфера. В основной серии опытов частота возбуждений составляла f = 80 Герц и f/2 = 40 Герц. Траектории капель ученые записывали на две камеры: одна камера следила за горизонтальным движением (частота 4 кадра в секунду), а вторая камера наблюдала за скачками (частота 4000 кадров в секунду). Для удобства исследователи подсвечивали капли с помощью светодиодов.

В результате ученые открыли новый тип капель, которые были в три раза толще (радиус до 1,4 миллиметра) и в три раза быстрее обычных «ходоков» (скорость до 50 миллиметров в секунду). Эти капли физики назвали «суперходоками» (superwalkers). Кроме того, особенно крупные «суперходоки» были настолько тяжелыми, что постоянно деформировались и не могли оторваться от поверхности жидкости. Поскольку огромная инерция таких капель существенно сказывалась на их взаимодействии, ученые выделили их в отдельную категорию и назвали «гигантскими суперходоками» (jumbo superwalkers).

Более того, в отличие от обычных «ходоков» «суперходоки» продемонстрировали большое число коллективных явлений. Это богатство ученые связывают с тем, что «суперходоки» более охотно взаимодействуют друг с другом. Во-первых, в этом режиме капли связываются в пары, разделенные очень тонкой прослойкой воздуха (рисунок a). Во-вторых, капля может преследовать другую каплю с постоянной скоростью, если их размеры совпадают (рисунок b), или вращаться вокруг большей капли (рисунок c). В-третьих, капли могут следовать по параллельным синхронно осциллирующим траекториям (рисунок e). В-четвертых, тяжелая неподвижная капля может образовать слабо связанную пару с легкой каплей, причем направление вращения капель будет время от времени обращаться (рисунок d). В некоторых случаях такая связь стабилизирует тяжелую каплю и мешает ей утонуть. В-пятых, множество близко расположенных «суперходоков» может объединиться в кристалл, который, в свою очередь, можно «расплавить», если повысить амплитуду колебаний жидкости (рисунки h—k).

Наконец, физики обнаружили еще один интересный режим, который возникает, если немного «расстроить» частоту обертона — например, понизить ее с 40 до 39,5 Герц. В этом случае движение капель чередуется с резкими остановками и долгими периодами покоя. Очевидно, такое поведение возникает из-за медленной эволюции разности фаз между возбуждающими колебаниями, вызванной «расстройством» системы.

Авторы статьи отмечают, что «капли-ходоки» можно использовать для моделирования сложных квантовомеханических процессов. В частности, с их помощью можно воспроизвести квантование орбитального момента и туннелирование сквозь потенциальный барьер, увидеть волновые свойства частицы и аномальные корреляции между частицами. Сходство между системами ученые списывают на взаимодействие капель и порождаемых ими волн. Таким образом, работа группы Тапио Симула имеет и прикладной характер, хотя на первый взгляд кажется исключительно развлекательной.

Физиков часто привлекает простота и красота движения капель, которые движутся по поверхности жидкости. Например, в августе 2016 году французские физики исследовали хаотичные прыжки капель, случайно образующихся при всплесках силиконового масла, и научились обращать такие скачки во времени. В ноябре 2017 американские исследователи объяснили эффект кратковременной левитации холодной капли жидкости (например, молока), падающей в чашку с горячей жидкостью (только что сваренным кофе). Оказалось, что этот эффект возникает из-за потоков газа, которые возбуждаются за счет разницы температур в зазоре между каплей и поверхностью. А в феврале 2019 физики из Франции и Нидерландов построили «бильярд» из чашки жидкого азота и капли спирта, а затем объяснили, почему капля в таком бильярде самопроизвольно ускоряется.

Дмитрий Трунин