Команда фізиків продемонструвала, як хвиля на поверхні рідини, що піддається вібраціям, може викидати, а потім ловити краплі, які скидають над нею. Цю невідому раніше поведінку хвиль-солітонів вчені назвали «жонглюючим солітоном» — стійка усамітнена хвиля до 90 хвилин жонглювала двоміліметровою краплею дистильованої води. Взаємодія краплі і хвилі нагадала вченим роботу оптичного пінцета, тож вони сподіваються, що їхні експерименти стануть у пригоді фізикам, які працюють з мікроскопічними об'єктами. Робота опублікована в журналі Physical Review Fluids.
C. Sandivari et al. / Phys. Rev. Fluids, 2023
Що вивчали фізики?
Наливаючи рідину, навіть по одній краплі, у місткість з такою самою рідиною, ви логічно очікуєте, що вони одразу змішаються. Фізики також цього очікують принаймні через вплив сил Ван дер Ваальса. Втім, іноді міліметрові крапельки можуть підстрибувати та навіть котитися поверхнею, перш ніж злитися з нею, що пов'язують з появою тонкого шару повітря між краплею і поверхнею рідини.
Це контрінтуїтивне явище фізики називають «нез'єднуванням» (noncoalescence) і надзвичайно ним цікавляться, адже воно має практичне використання як у нових технологіях, так навіть і для дослідження квантової поведінки у макроскопічному масштабі. І експериментуючи з нез'єднуванням, у своїй роботі фізики університетів Чилі та німецького Гамбурга виявили нову взаємодію між краплями та хвилями, яку назвали «жонглюючим солітоном».
Експериментальна установка вчених. C. Sandivari et al. / Phys. Rev. Fluids, 2023
Що жонглює?
Однією з відмінностей цього дослідження від інших подібних експериментів є рішення науковців вивчати поведінку крапель не на спокійній поверхні рідини, а на поверхні солітона — стійкої відокремленої хвилі, що на відміну від звичайних, не розсіюється при русі, поводячись подібно до частинки. Тому для свого експерименту вчені налили звичайну дистильовану воду шаром висотою у 2 сантиметри та піддавали місткість вібраціям. Щойно на поверхні формувався солітон, рух якої локалізовувався у поздовжньому напрямку, але не охоплював всю поверхню, на його вершину за допомогою піпетки фізики скидали краплі тієї ж дистильованої води діаметром від 1,8 до 3,8 міліметра.
(а) брижі Фарадея та (b) солітон, який створили фізики для свого експерименту. C. Sandivari et al. / Phys. Rev. Fluids, 2023
Як пожонглювала хвиля?
Солітон підхоплював краплі та змушував підстрибувати і падати назад, що могло тривати до 90 хвилин — від тисяч до десяти тисяч відскоків у загальному. Аналізуючи це жонглювання, вчені помітили, що стабільність стрибків крапель забезпечує синхронізація та розлад частоти коливань краплі з частотою коливання солітона, а залежність стабільності утримування краплі добре описується розподілом Вейбула.
( а ) Зображення краплі діаметром у 3,5 міліметра, що відскокує від солітона, (b) цикл руху краплі при відскокуванні з часом проміжком у 25 мілісекунд, (с) та ж крапля у вигляді збоку. C. Sandivari et al. / Phys. Rev. Fluids, 2023
Крім того, фізики помітили, що солітон змушував краплю постійно триматися його центру, що схоже на роботу оптичного пінцета, де мікроскопічні об'єкти утримуються за допомогою електричного поля, в якому частинка тримається максимальної його напруженості, яка знаходиться у фокусі променя світла. Таким чином, їхній експеримент став гідродинамічним аналогом роботи оптичного пінцета, який допоможе покращувати технологію.
Раніше ми розповідали, як оптичні пінцети виявилися придатними для жонглювання: вчені змогли ним підкинути і зловити окремий атом із ансамблю. Також нещодавно фізикам вдалося отримати гідродинамічний аналог квантового явища надвипромінювання, спостерігаючи за хвилями на поверхні олії.