Вибрирующий вок сформировал многоугольники из воды

Китайские физики создали правильные многоугольники вплоть до гептагона из стоячих волн Фарадея. Для этого они вертикально колебали вок (китайская глубокая сковорода) и керамическую чашу с водой с частотой в несколько герц. Работа, которая наводит мост между динамикой классических и квантовых жидкостей, опубликована в журнале Nature Physics.

Волны Фарадея — нелинейные стоячие волны на поверхности вибрирующих сосудов. Например, их можно наблюдать в поющих чашах, границах раздела фаз или даже в поведении дождевых червей (за что в 2020 году австралийские ученые получили Шнобелевскую премию по физике). Зачастую они могут помогать эффективно перемешивая компоненты, но мешают изучению поверхностных явлений. Иногда в каплях за счет возникновения нелинейных стоячих волн могут формироваться симметричные фигуры, но этот эффект был довольно слабым — амплитуда колебаний таких капель составляла примерно миллиметр, а в образовании упорядоченной структуры большую роль играл капиллярный эффект.

Физики Лю Синь Юнь (Xinyun Liu) и Ван Синь Лун (Xinlong Wang) из Нанкинского университета рассмотрели поведение тонкого слоя воды в вертикально вибрирующем сосудах параболической формы. Для этого они заполнили водой напечатанный фотополимерным методом сосуд параболической формы с высотой в четыре сантиметра и диаметром в 20 сантиметров. А затем поместили сосуд на электромагнитную мешалку, возбуждая вибрации низкой частоты.

Авторы начали возбуждение волн Фарадея с генерации частоты в 2,5 Герца. Уже при 2,7 Герца появился всплеск, обозначающий нулевую моду. Затем при частоте 3,75 Герца поверхность воды начинала сжиматься и растягиваться в двух направлениях, формируя эллипс, амплитуда колебаний которого росла до стационарной величины с увеличением частоты. При дальнейшем увеличении частоты вибрации сосуда физикам удалось наблюдать так же все фигуры вплоть до пентагона. При этом чем дольше наблюдались биения, тем более явно выраженные структуры получались. Более того, чем больше углов в фигуре, тем быстрее она релаксировала после отключения вибраций, что связано с большей вязкой потерей энергии на дне и на границах фигур.

Пронаблюдать такое поведение получилось и в повседневных предметах: в китайской стальной сковороде (вок) и в керамической чаше. Так что эти опыты можно повторить и в домашних условиях. Для описания возникновения волн Фарадея авторы рассмотрели линейную модель, которая довольно четко описывает эту систему в зависимости от геометрии поверхности сосуда и частоты вертикальной вибрации. Так как размер сковороды был в 2,5 раза больше, то в нем удалось возбудить и стоячие волны в форме гексагона и гептагона, которая практически полностью совпала с расчетом для идеальной жидкости без диссипации энергии.

К тому же, авторы заметили, что уравнения, описывающие поведение многоугольных стоячих волн Фарадея, описывают также и коллективные колебания конденсата Бозе — Эйнштейна. А потому изучая гидродинамику мелководных волн можно будет лучше изучать квантовые свойства материи.

Физики уже не в первый раз строят аналогии между поведением классической жидкости и квантовыми явлениями. Например, с помощью бассейна с маслом физики воспроизвели сверхизлучение атомов, что возможно использовать в вероятностных гидромеханических вычислениях.