👼🏾 🎂 🚽 ¿Qué es común entre las gotas en una taza de café y la mecánica cuántica? ⛺️ 📉 🧑🏽‍🤝‍🧑🏼

Esta es una sección especial del ITMO New Physics Institute . Aquí, los científicos, profesores y estudiantes de la Facultad de Física y Tecnología reflexionan sobre la ciencia, el proceso educativo y las jornadas laborales.

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Una gota que cae sobre la superficie de un líquido desaparece rápidamente, pero no al instante. La confluencia de la gota con el líquido se retrasa debido a que el aire sale de la capa intermedia. El efecto se puede ver en la fuente, el fregadero en la cocina e incluso un vaso de café .

^{Caída en una taza de café}

Cuando la gota se acerca a la superficie del líquido, el aire en la capa intermedia no tiene tiempo para salir. La presión aumenta, la caída pierde su velocidad e incluso puede rebotar. Pero cada vez que salta más y más bajo, como parte de la energía se disipa debido a la influencia de fuerzas externas. Cada vez sale más aire del intermedio, y cuando su grosor se vuelve crítico, la bola de agua se fusiona con el líquido debido a las fuerzas de interacción molecular.

Cómo hacer saltar las gotas

Un hecho interesante es que se puede hacer un salto para saltar si la energía perdida se le suministra continuamente, por ejemplo, mediante oscilaciones de la superficie del agua. El líquido empujará una gota hacia arriba incluso antes de que la capa de aire se vuelva más delgada.

El fenómeno de rebotar gotas fue descrito por primera vez por el físico estadounidense Jearl Walker en 1978. Pero el estudio de la dinámica de este fenómeno se inició solo 30 años después: investigadores franceses de la Universidad de París VII, encabezados por Yves Couder (Yves Couder).

La instalación necesaria para observar las gotas de salto es bastante simple. Se compone de un patógeno y un generador de gotas . El papel del primero puede ser desempeñado por un altavoz en el que se instala un baño con solución jabonosa o aceite de silicona. Como segundo, un palillo de dientes ordinario es adecuado. Aquí hay un ejemplo del aparato que ensamblamos:

^{la carcasa de instalación, impresa en una impresora 3D, y su circuito Una}

gota que cae en el baño comenzará a "levitar" solo a una cierta frecuencia y amplitud de las vibraciones del altavoz; estos parámetros se determinan experimentalmente. Pero hay una condición básica: la amplitud debería ser suficiente para arrojar una gota, pero no suficiente para la aparición de una onda de Faraday. Estas son ondas estacionarias en la superficie de un líquido que lo desestabilizan.

La capacidad de una bola de agua para rebotar también se ve afectada por su tamaño. Determina la amplitud mínima necesaria para lograr el efecto. Cuanto más pequeña es la gotita, menor es la amplitud requerida para el rebote, es decir, la gotita puede saltar continuamente en un rango más amplio de amplitudes y frecuencias.

^{Ondulación faraday}

Curiosamente, las gotas no solo pueden rebotar. Son capaces de moverse a lo largo de ciertas trayectorias e interactuar entre sí. El fenómeno se debe a las ondas que generan las bolas en cada rebote desde la superficie. Las gotas tienden a ocupar una posición correspondiente al mínimo local de energía potencial, determinada por la interferencia de las ondas generadas. Hay muchas de esas posiciones, pero están ubicadas a la misma distancia entre sí, es igual a la mitad de la longitud de onda. Desde una posición, una caída siempre se puede "empujar" hacia otra.

^{Cristal de dos gotas saltadoras}

estables, y las gotas que rebotan forman estructuras estables parecidas a cristales. Por ejemplo, las formas geométricas correctas: triángulos, cuadrados, pentágonos.

La naturaleza ondulatoria de la interacción puede explicar un efecto interesante: la escalabilidad del cristal con un cambio de frecuencia lento. Con su aumento, la distancia entre las bolas de agua crece, y con una disminución, por el contrario, disminuye.

^{Figuras geométricas de gotas}

Las figuras son lo suficientemente "elásticas" para que puedan moverse sin destruir la estructura del cristal. Aquí hay un ejemplo de tal efecto:

^{Movimiento de cristal}

Si las gotas que rebotan están lo suficientemente cerca y sus tamaños son relativamente grandes, se desplazarán entre sí, formando otro estado de unión: un grupo.

^Racimos

Las gotas grandes son pesadas, por lo que "empujan" la superficie del líquido debajo. Hay un agujero potencial donde otras gotas grandes corren.

Este pozo prevalece sobre pozos potenciales de ondas superficiales. Por lo tanto, el tipo de interacción de onda no es característico de gotas grandes.

¿Qué relación tienen las gotitas con la mecánica cuántica?

El sistema de gotas levitantes no solo es un hermoso efecto del macrocosmos, sino también un fenómeno que resuena en el mundo cuántico.

El físico estadounidense John Bush (John Bush) con colegas del MIT en 2013 vio las llamadas gotas "caminando" que aparecían cerca del umbral de Faraday. Ellos "saltan" en su ola y se mueven a lo largo de la superficie del líquido. Al igual que las partículas cuánticas cuya velocidad no excede la velocidad de la luz, las gotas para caminar tienen una limitación similar: la velocidad de propagación de ondas en un líquido.

A su vez, Yves Kuder descubrió en 2006que las gotas exhiben propiedades características de las olas. El físico dirigió las bolas de agua hacia la hendidura y logró observar el fenómeno de difracción, muy similar a la difracción de electrones. Por lo tanto, las gotas que rebotan pueden considerarse como objetos (partículas) que exhiben dualidad onda-partícula .

Y esto es solo una pequeña parte de experimentos interesantes. Los científicos también encontraron las siguientes analogías:

Oscilaciones de gotas en un estado unido y movimiento vibratorio de fotones en un átomo de cristal;
Movimiento rotacional de gotitas y movimiento de electrones en órbita.

Por lo tanto, estos experimentos, fenómenos y dependencias son de interés físico y permiten observar un comportamiento cuántico en la escala de las gotas de líquido.

¿Qué es común entre las gotas en una taza de café y la mecánica cuántica?

Cómo hacer saltar las gotas

¿Qué relación tienen las gotitas con la mecánica cuántica?

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