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Was ist gemeinsam zwischen Tropfen in einer Tasse Kaffee und der Quantenmechanik?

Dies ist ein spezieller Bereich des ITMO New Physics Institute . Hier reflektieren Wissenschaftler, Lehrer und Studenten der Fakultät für Physik und Technologie die Wissenschaft, den Bildungsprozess und die Arbeitstage.



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Ein Tropfen, der auf die Oberfläche einer Flüssigkeit fällt, verschwindet schnell, aber nicht sofort. Der Zusammenfluss des Tröpfchens mit der Flüssigkeit wird verzögert, da Luft die Zwischenschicht verlässt. Der Effekt ist im Brunnen, im Waschbecken in der Küche und sogar bei einem Glas Kaffee zu sehen .

Tropfen in eine Tasse Kaffee

Wenn sich der Tropfen der Oberfläche der Flüssigkeit nähert, hat die Luft in der Zwischenschicht keine Zeit, nach draußen zu gehen. Der Druck steigt, der Tropfen verliert seine Geschwindigkeit und kann sogar aufspringen. Aber jedes Mal, wenn es tiefer und tiefer springt, wird ein Teil der Energie aufgrund des Einflusses äußerer Kräfte abgeführt. Immer mehr Luft tritt aus dem Zwischenprodukt aus, und wenn seine Dicke kritisch wird, verschmilzt der Wasserball aufgrund der Kräfte der molekularen Wechselwirkung mit der Flüssigkeit.

Wie man Tropfen zum Springen bringt


Interessant ist, dass ein Tropfen zum Springen gebracht werden kann, wenn ihm die verlorene Energie kontinuierlich zugeführt wird - beispielsweise durch Schwingungen der Wasseroberfläche. Die Flüssigkeit drückt einen Tropfen nach oben, noch bevor die Luftschicht dünner wird.

Das Phänomen des Tretens von Tröpfchen wurde erstmals 1978 vom amerikanischen Physiker Jearl Walker beschrieben. Das Studium der Dynamik dieses Phänomens wurde jedoch erst 30 Jahre später aufgenommen - französische Forscher der Universität Paris VII unter der Leitung von Yves Couder (Yves Couder).

Die Installation, die zur Beobachtung der springenden Tropfen erforderlich ist, ist recht einfach. Es besteht aus einem Krankheitserreger und einem Tröpfchengenerator . Die Rolle des ersten kann ein Lautsprecher spielen, auf dem ein Bad mit Seifenlösung oder Silikonöl installiert ist. Als Sekunde ist ein gewöhnlicher Zahnstocher geeignet. Hier ist ein Beispiel für das Gerät, das wir zusammengebaut haben:


Auf einem 3D-Drucker gedrucktes Installationsgehäuse und seine Schaltung Ein

Tropfen, der in das Bad fällt, beginnt erst bei einer bestimmten Frequenz und Amplitude der Schwingungen des Lautsprechers zu „schweben“ - diese Parameter werden experimentell bestimmt. Es gibt jedoch eine Grundbedingung: Die Amplitude sollte ausreichen, um einen Tropfen zu werfen, aber nicht ausreichen, um eine Faraday-Welligkeit zu erzeugen. Dies sind stehende Wellen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit, die sie destabilisieren.

Die Fähigkeit eines Wasserballs, zu springen, wird auch durch seine Größe beeinflusst. Es bestimmt die minimale Amplitude, die erforderlich ist, um den Effekt zu erzielen. Je kleiner das Tröpfchen ist, desto kleiner ist die für den Rückprall erforderliche Amplitude - das heißt, das Tröpfchen kann kontinuierlich in einem größeren Bereich von Amplituden und Frequenzen springen.


Welladad Faraday

Interessanterweise können Tropfen nicht nur abprallen. Sie können sich auf bestimmten Bahnen bewegen und miteinander interagieren. Das Phänomen ist auf die Wellen zurückzuführen, die die Kugeln bei jedem Abprall von der Oberfläche erzeugen. Tropfen neigen dazu, eine Position einzunehmen, die dem lokalen Minimum an potentieller Energie entspricht, das durch die Interferenz der erzeugten Wellen bestimmt wird. Es gibt viele solcher Positionen, aber sie befinden sich im gleichen Abstand voneinander - es entspricht der halben Wellenlänge. Von einer Position aus kann ein Tropfen immer in eine andere „geschoben“ werden.


Ein Kristall aus zwei stabil springenden Tropfen.

Auch springende Tröpfchen bilden stabile kristallartige Strukturen. Zum Beispiel die richtigen geometrischen Formen - Dreiecke, Quadrate, Pentagone.

Die Wellennatur der Wechselwirkung kann einen interessanten Effekt erklären - die Skalierbarkeit des Kristalls bei einer langsamen Frequenzänderung. Mit zunehmender Größe nimmt der Abstand zwischen den Wasserbällen zu und mit abnehmender Größe nimmt er ab.


Geometrische Figuren aus Tropfen.

Die Figuren sind ausreichend „elastisch“, so dass sie bewegt werden können, ohne die Struktur des Kristalls zu zerstören. Hier ein Beispiel für einen solchen Effekt:


Kristallbewegung

Wenn springende Tröpfchen nahe genug und relativ groß sind, driften sie aufeinander zu und bilden einen anderen gebundenen Zustand - einen Cluster.


Cluster

Große Tröpfchen sind schwer und „drücken“ die Oberfläche der darunter liegenden Flüssigkeit. Es gibt ein potenzielles Loch, in das andere große Tropfen rasen.

Diese Grube überwiegt gegenüber potenziellen Gruben von Oberflächenwellen. Daher ist der Wellentyp der Wechselwirkung für große Tropfen nicht charakteristisch.

Welche Beziehung haben Tröpfchen zur Quantenmechanik?


Das System der schwebenden Tropfen ist nicht nur eine schöne Wirkung des Makrokosmos, sondern auch ein Phänomen, das in der Quantenwelt mitschwingt.

Der amerikanische Physiker John Bush (John Bush) beobachtete 2013 mit Kollegen vom MIT die sogenannten "Walking" -Tropfen, die nahe der Schwelle von Faraday auftraten. Sie „springen“ auf ihre Welle und bewegen sich entlang der Oberfläche der Flüssigkeit. Wie Quantenteilchen, deren Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreitet, haben Lauftropfen eine ähnliche Einschränkung - die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in einer Flüssigkeit.

Yves Kuder wiederum entdeckte im Jahr 2006Diese Tropfen weisen Eigenschaften auf, die für Wellen charakteristisch sind. Der Physiker lenkte die Wasserbälle in den Schlitz und beobachtete das Beugungsphänomen - sehr ähnlich der Elektronenbeugung. So können springende Tröpfchen als Objekte (Partikel) betrachtet werden, die eine Welle-Partikel-Dualität aufweisen .

Und dies ist nur ein kleiner Teil interessanter Experimente. Wissenschaftler fanden auch die folgenden Analogien:

  • Schwingungen von Tröpfchen in einem gebundenen Zustand und Schwingungsbewegung von Photonen in einem Kristallatom;
  • Rotationsbewegung von Tröpfchen und Bewegung von Elektronen im Orbit.

Daher sind diese Experimente, Phänomene und Abhängigkeiten von physikalischem Interesse und ermöglichen es, ein quantenähnliches Verhalten auf der Skala von Flüssigkeitströpfchen zu beobachten.



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