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Qu'est-ce qui est commun entre les gouttes dans une tasse de café et la mécanique quantique?

Il s'agit d'une section spéciale de l' ITMO New Physics Institute . Ici, les scientifiques, les enseignants et les étudiants de la Faculté de physique et de technologie réfléchissent à la science, au processus éducatif et aux journées de travail.



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Une goutte tombant à la surface d'un liquide disparaît rapidement, mais pas instantanément. La confluence de la gouttelette avec le liquide est retardée en raison de la sortie d'air de la couche intermédiaire. L'effet peut être vu dans la fontaine, l'évier dans la cuisine et même un verre de café .

Goutte dans une tasse de café

Lorsque la goutte approche de la surface du liquide, l'air dans la couche intermédiaire n'a pas le temps de sortir. La pression augmente, la goutte perd de sa vitesse et peut même rebondir. Mais à chaque fois qu'il saute de plus en plus bas, une partie de l'énergie se dissipe sous l'influence des forces extérieures. De plus en plus d'air sort de l'intermédiaire, et lorsque son épaisseur devient critique, la boule d'eau se confond avec le liquide en raison des forces d'interaction moléculaire.

Comment faire sauter les gouttes


Un fait intéressant est que l'on peut faire sauter une goutte si l'énergie perdue lui est fournie en continu - par exemple, au moyen d'oscillations de la surface de l'eau. Le liquide repoussera une goutte avant même que la couche d'air ne devienne plus mince.

Le phénomène des gouttelettes rebondissantes a été décrit pour la première fois par le physicien américain Jearl Walker en 1978. Mais l'étude de la dynamique de ce phénomène n'a repris que 30 ans plus tard - des chercheurs français de l'Université de Paris VII, dirigés par Yves Couder (Yves Couder).

L'installation nécessaire pour observer les sauts sautants est assez simple. Il se compose d'un agent pathogène et d' un générateur de gouttelettes . Le rôle du premier peut être joué par un haut-parleur sur lequel un bain avec une solution savonneuse ou de l'huile de silicone est installé. En second lieu, un cure-dent ordinaire convient. Voici un exemple de l'appareil que nous avons assemblé:


le boîtier d'installation, imprimé sur une imprimante 3D, et son circuit Une

goutte tombant dans le bain ne commencera à «léviter» qu'à une certaine fréquence et amplitude des vibrations du haut-parleur - ces paramètres sont déterminés expérimentalement. Mais il y a une condition de base: l'amplitude doit être suffisante pour lancer une goutte, mais pas suffisante pour l'apparition d'une ondulation de Faraday. Ce sont des ondes stationnaires à la surface d'un liquide qui le déstabilisent.

La capacité d'une boule d'eau à rebondir est également affectée par sa taille. Il détermine l'amplitude minimale nécessaire pour obtenir l'effet. Plus la gouttelette est petite, plus l'amplitude requise pour le rebond est petite - c'est-à-dire que la gouttelette est capable de sauter en continu dans une plus grande gamme d'amplitudes et de fréquences.


Ripple faraday

Fait intéressant, les gouttes peuvent non seulement rebondir. Ils sont capables de se déplacer le long de certaines trajectoires et d'interagir les uns avec les autres. Le phénomène est dû aux ondes que les balles génèrent à chaque rebond de la surface. Les gouttes ont tendance à occuper une position correspondant au minimum local d'énergie potentielle, déterminée par l'interférence des ondes générées. Il existe de nombreuses positions de ce type, mais elles sont situées à la même distance les unes des autres - elles sont égales à la moitié de la longueur d'onde. D'une position, une goutte peut toujours être «poussée» dans une autre.


Cristal de deux gouttes qui sautent de façon stable

. Par exemple, les formes géométriques correctes - triangles, carrés, pentagones.

La nature ondulatoire de l'interaction peut expliquer un effet intéressant - l'évolutivité du cristal avec un changement de fréquence lent. Avec son augmentation, la distance entre les boules d'eau augmente, et avec une diminution, au contraire, elle diminue.


Figures géométriques à partir de gouttes

Les figures sont suffisamment "élastiques" pour pouvoir être déplacées sans détruire la structure du cristal. Voici un exemple d'un tel effet:


Mouvement des cristaux

Si les gouttelettes rebondissantes sont suffisamment proches et que leurs tailles sont relativement grandes, elles dériveront l'une vers l'autre, formant un autre état lié - un amas.


Grappes

Les grosses gouttelettes sont lourdes, donc elles «poussent» la surface du liquide en dessous. Il y a un trou potentiel où d'autres grosses gouttes se précipitent.

Cette fosse prévaut sur les fosses potentielles d'ondes de surface. Par conséquent, le type d'interaction des vagues n'est pas caractéristique des grosses gouttes.

Quelle relation les gouttelettes ont-elles avec la mécanique quantique


Le système de gouttes en lévitation n'est pas seulement un bel effet du macrocosme, mais aussi un phénomène qui résonne dans le monde quantique.

Le physicien américain John Bush (John Bush) avec des collègues du MIT en 2013 a observé les soi-disant gouttes "marchant" apparaissant près du seuil de Faraday. Ils «sautent» sur leur vague et se déplacent le long de la surface du liquide. Comme les particules quantiques dont la vitesse ne dépasse pas la vitesse de la lumière, les gouttes qui marchent ont une limitation similaire - la vitesse de propagation des ondes dans un liquide.

À son tour, Yves Kuder a découvert en 2006les gouttes présentent des propriétés caractéristiques des vagues. Le physicien a dirigé les boules d'eau dans la fente et a réussi à observer le phénomène de diffraction - très similaire à la diffraction électronique. Ainsi, les gouttelettes rebondissantes peuvent être considérées comme des objets (particules) présentant une dualité onde-particule .

Et ce n'est qu'une petite partie d'expériences intéressantes. Les scientifiques ont également trouvé les analogies suivantes:

  • Oscillations de gouttelettes dans un état lié et mouvement vibratoire des photons dans un atome de cristal;
  • Mouvement de rotation des gouttelettes et mouvement des électrons en orbite.

Ainsi, ces expériences, phénomènes et dépendances présentent un intérêt physique et permettent d'observer un comportement de type quantique à l'échelle des gouttelettes liquides.



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