Лодки левитират с главата надолу. Това променя закона за плаваемост (видео)

Ако сте фен на водните спортове, който търси нова тръпка, какво ще кажете за ветроходство с главата надолу?

Идеята може да не е толкова невероятна. В ново проучване физиците са успели да накарат малки лодки да плават от долната страна на слой течност, левитиращ във въздуха. Освен че разкрива някои необичайни морски възможности, откритието буквално преобръща разбирането ни за плаваемост с главата надолу.

Научното обяснение на плаваеостта не се е променило много от времето на древногръцкия математик Архимед -  нужен е баланс между низходящата сила на гравитацията и натиска нагоре на изместената вода. Но вибрациите могат да предизвикат странно, предизвикано от гравитацията поведение.

През 1951 г. руският физик, носител на Нобелова награда, Пьотър Капица описва система, състояща се от тежест, прикрепена към леко, неразтегаемо рамо, прикрепена към вибриращо окачване. При бързо колебание на махалото нагоре и надолу то се балансира, противопоставяйки се на естественото си стабилно положение надолу.

Макар това наблюдение да е описано преди Капица, дълго време не е имало математическо обяснение за причините за тази стабилност. Капица експериментално изследва махалото и изгражда теорията за динамичната стабилизация, разделяйки движението на "бързи" и "бавни" променливи и въвеждайки ефективен потенциал. Работата на Капица отваря нова посока във физиката - вибрационната механика.

^{Махалото на Капица е система, състояща се от тежест, прикрепена към леко, недеформируемо рамо, прикрепена към вибриращо окачване. При фиксирана точка на окачване, моделът описва обикновено математическо махало, за което има две равновесни позиции: в долната точка и в горната точка. В този случай равновесието на математическото махало в горната точка е нестабилно и всяко произволно малко смущение води до загуба на равновесие. Удивителната характеристика на махалото на Капица е, че противно на интуицията, обърнатото вертикално положение на махалото може да бъде стабилно в случай на бързи вибрации на окачването. Кредит: Gereshes}

Оттогава учените използват вибрации, за да накарат течностите да левитират във въздуха и да накарат въздушните мехурчета да потънат, вместо да се издигнат.

Новото проучване предполага, че те също могат да обърнат правилата за плаваемост.

„Това е много контраинтуитивно“, коментира Владислав Сорокин (Vladislav Sorokin), инженер от Университета в Окланд. „Работя в тази област от известно време, но не очаквах, че нещо подобно може да бъде открито“.

Откритието е направено случайно, разказва Еманюел Фор (Emmanuel Fort), физик от ESPCI (École supérieure de physique et de chimie industrielles - Висше училище по индустриална физика и химия) в Париж, който ръководи изследването. Предишни експерименти показват, че вискозните течности във вибриращ съд могат да бъгат принудени да левитират, защото всеки път, когато част от течността се опита да се стече надолу, разклащането осигурява противоположна сила, която я изтласка обратно нагоре. Това стабилизира долната повърхност на течността, оформяйки въздушна възглавница отдолу.

Вдъхновени от махалото на Капица Фор и колегите му решават да проверят дали могат да възпроизведат подобно поведение в течност. Те конструират контейнер от плексиглас върху вибрираща машина и го пълнят с вискозна течност като силиконово масло или глицерол. След това с игла инжектират слой въздух отдолу и тогава вибриращата течност левитира над него.

Екипът на Форт доработва експеримента допълнително като слагат малки топчета в левитиращия слой течност - и  виждат, че плават стабилно от долната страна на течността.

„Това е напълно неочаквано“, коментира Фор. За по-силно визуално въздействие сменят сферичките с малки модели лодки и откриват, че могат да бъдат накарани да плават едновременно върху горната и долната повърхности.

Изследователите създават модел, за да обяснят как ефектите на плаваемостта се проявяват на долната страна на течността.

Обикновено леките смущения трябва или да изтласкат обекта към въздуха, след което пада, или нагоре в течността, където се изтласква на горната повърхност. Но силните вибрации могат да отменят тези смущения. Те поддържат обекта стабилен на долната повърхност, където привличането надолу на гравитацията и привличането на плаваемостта нагоре са перфектно балансирани, съобщава екипът в Nature.

^{Кредит: B. Apffel et al/Nature 2020}

Все още не е ясно дали явлението има някакво практическо приложение. Вибрациите вече се използвани за контрол на движението на мехурчетата в течностите за обработка на минерали и химични реакции, но Сорокин смята, че ще са необходими допълнителни изследвания, за да се определи дали това ново откритие е също толкова полезно.

Изследването все пак показва, че вибрационните системи все още имат неоткрити екзотични поведения.

Екипът досега не е използвал повече от половин литър течност, но техните уравнения показват, че единственото ограничаващо обема е силата на разклащащата машина. И макар подходът да работи добре с вискозни течности, той не се представя толкова добре с вода, коментира Фор. Така че, мечтите за плаване с главата надолу засега са неосъществими, освен ако не се примирите да го практикувате в лепкаво минерално масло.

Още по темата

01/09/2020

Физика

Двама физици показаха как на теория могат да се създадат проходими червееви дупки (видео)

14/07/2020

Физика

Вселената може би има часовник, който създава времето и тиктака много, много бързо

11/12/2019

Земята

Ето откъде е тръгнал "островът" от пемза с площ 167 км² (видео)

08/07/2022

Физика

"Там, където свършва съмнението, свършва науката", казва Пьотър Капица