Физики объяснили слипание овсяных колечек
Ученые экспериментально изучили взаимодействие тел в форме дисков на поверхности жидкости и построили численную модель данного процесса. Исследование позволяет объяснить, в частности, почему овсяные колечки для завтрака преимущественно образуют группы или находятся у стенок тарелки, но также может оказаться полезным при описании движения живых организмов по воде и создании плавучих микророботов. Оказалось, что для объяснения наблюдаемого поведения необходим учет как вертикального смещения, так и наклона объектов, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
При плавании тела на поверхности жидкости возникает несколько сил, которые могут оказывать влияние на его движение. Как правило, основных сил две — это гравитация и сила Архимеда, но они всегда направлены вдоль вертикальной оси, а если тело плавает, они также должны быть скомпенсированы.
Также необходимо учитывать капиллярные силы, которые связаны с поверхностным натяжением жидкости и ее сродством с материалом тела. Из-за них поверхность жидкости будет искривляться рядом с телом, а результирующая сила с ее стороны будет направлена под углом к горизонтали. Благодаря этому небольшие объекты, например, водомерки, могут плавать на поверхности воды, не погружаясь в нее, то есть не испытывая силы Архимеда.
Искривление поверхности жидкости может повлиять на движение плавающего объекта, например, в случае близости с другим телом. В результате возникает капиллярное притяжение, которое можно наблюдать во многих бытовых ситуациях. Например, этот феномен ответственен за стремление образовывать группы или находится у края сосуда у пузырьков или разнообразных шариков, хлопьев и других видов готовых завтраков. В англоязычной среде данный факт даже получил название «эффекта Cheerios» по торговой марке производителя овсяных колечек, на примере которых данный феномен легко воспроизводится.
У исследований эффекта капиллярного притяжения долгая история, а современные попытки количественного понимания величины воздействия начинаются со статьи 1949 года. Однако большинство сделанных работ посвящены теоретической оценке сил, а экспериментальных измерений относительно мало. В результате зависимость взаимодействия от многих параметров остается неподтвержденной опытным путем.
Физиками из Браунского университета под руководством Дэниела Харриса (Daniel Harris) впервые проведены прямые измерения силы взаимодействия двух макроскопических тел на поверхности воды в зависимости от массы, размера и расстояния между ними. Оказалось, что традиционный теоретический анализ упускал из виду один дополнительный фактор — наклон тел при очень близком расположении. Игнорирование этого факта приводит к недооценке степени их сцепления.
Созданная авторами установка состояла из двух супергидрофобных пластиковых дисков сантиметрового размера, находящихся на поверхности воды. Один из них удерживался на одном месте механическим способом, а другой мог перемещаться, причем в нем также находился небольшой магнит, который позволял двигать его бесконтактным образом за счет внешнего магнитного поля. Такая схема эксперимента позволила на основе необходимого магнитного воздействия определить силу, которая требуется для отрыва слипшихся дисков при разнообразных комбинациях их параметров.
Физики также создали численную модель взаимодействия, результаты которой сперва хорошо согласовывались лишь для относительно больших расстояний между дисками. Как оказалось, причина заключалась в возникающем наклоне дисков при самых близких расположениях — такая конфигурация изменяет направление сил со стороны воды и приводит к увеличению сцепления. Включение этого эффекта в модель позволило достичь намного лучшего соответствия с наблюдениями.
Ранее ученые определили особенности движения гекконов, которые позволяют им бегать по воде, выяснили роль поверхностного натяжения в формировании границ между биологическими тканями, нашли отличия скользкого слоя на поверхности льда от воды и объяснили обратное вращение пекущихся блинов.
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.