🔏 🥄 ◽️ Apa yang umum antara tetes dalam secangkir kopi dan mekanika kuantum? 🍻 🧥 ❔

Ini adalah bagian khusus dari Institut Fisika Baru ITMO . Di sini, ilmuwan, guru, dan mahasiswa Fakultas Fisika dan Teknologi merefleksikan sains, proses pendidikan, dan hari kerja.

, .

^{: , ,
:}

Setetes jatuh di permukaan cairan menghilang dengan cepat, tetapi tidak secara instan. Pertemuan tetesan dengan cairan tertunda karena udara meninggalkan lapisan perantara. Efeknya bisa dilihat di air mancur, tenggelam di dapur dan bahkan segelas kopi .

^{Tetes dalam secangkir kopi}

Ketika tetesan mendekati permukaan cairan, udara di lapisan tengah tidak punya waktu untuk keluar. Tekanan meningkat, tetesan kehilangan kecepatannya dan bahkan mungkin memantul. Tetapi setiap kali ia melompat semakin rendah, ketika bagian dari energinya hilang karena pengaruh kekuatan eksternal. Semakin banyak udara yang keluar dari perantara, dan ketika ketebalannya menjadi kritis, bola air bergabung dengan cairan karena kekuatan interaksi molekul.

Cara membuat tetes melompat

Fakta yang menarik adalah bahwa tetesan dapat dibuat untuk melompat jika energi yang hilang terus dipasok padanya - misalnya, dengan cara osilasi dari permukaan air. Cairan akan mendorong drop up bahkan sebelum lapisan udara menjadi lebih tipis.

Fenomena butiran-butiran yang memantul pertama kali dideskripsikan oleh fisikawan Amerika Jearl Walker pada tahun 1978. Tetapi studi tentang dinamika fenomena ini hanya memakan waktu 30 tahun kemudian - peneliti Perancis dari Universitas Paris VII, dipimpin oleh Yves Couder (Yves Couder).

Instalasi yang diperlukan untuk mengamati lompatan tetes cukup sederhana. Terdiri dari patogen dan generator tetesan . Peran yang pertama dapat dimainkan oleh pembicara di mana mandi dengan larutan sabun atau minyak silikon dipasang. Sebagai detik, tusuk gigi biasa cocok. Berikut adalah contoh peralatan yang kami rakit:

^{Casing instalasi, dicetak pada printer 3D, dan rangkaiannya.}

Tetesan yang jatuh ke bak akan mulai "melayang" hanya pada frekuensi dan amplitudo tertentu dari getaran speaker - parameter ini ditentukan secara eksperimental. Tetapi ada kondisi dasar: amplitudo harus cukup untuk melemparkan setetes, tetapi tidak cukup untuk penampilan riak Faraday. Ini adalah gelombang berdiri di permukaan cairan yang membuatnya tidak stabil.

Kemampuan bola air untuk memantul juga dipengaruhi oleh ukurannya. Ini menentukan amplitudo minimum yang diperlukan untuk mencapai efek. Semakin kecil tetesan, semakin kecil amplitudo yang diperlukan untuk pantulan - yaitu, tetesan dapat terus melompat dalam kisaran amplitudo dan frekuensi yang lebih besar.

^{Riak faraday}

Menariknya, tetes tak hanya bisa melambung. Mereka mampu bergerak di sepanjang lintasan tertentu dan berinteraksi satu sama lain. Fenomena ini disebabkan oleh gelombang yang dihasilkan bola pada setiap pantulan dari permukaan. Tetes cenderung menempati posisi yang sesuai dengan minimum energi potensial lokal, ditentukan oleh interferensi gelombang yang dihasilkan. Ada banyak posisi seperti itu, tetapi mereka berada pada jarak yang sama satu sama lain - itu sama dengan setengah panjang gelombang. Dari satu posisi, setetes selalu dapat "didorong" ke posisi lain.

^{Kristal dua tetes lompatan yang stabil, tetesan yang}

memantul juga membentuk struktur seperti kristal. Misalnya, bentuk geometris yang benar - segitiga, bujur sangkar, segilima.

Sifat gelombang interaksi dapat menjelaskan efek yang menarik - skalabilitas kristal dengan perubahan frekuensi yang lambat. Dengan kenaikannya, jarak antara bola air tumbuh, dan dengan penurunan, sebaliknya, berkurang.

^{Sosok geometris dari tetesan,}

Sosoknya cukup "elastis" sehingga bisa digerakkan tanpa merusak struktur kristal. Berikut adalah contoh efek seperti itu:

^{Gerakan kristal}

Jika tetesan memantul cukup dekat dan ukurannya relatif besar, mereka akan melayang ke satu sama lain, membentuk keadaan terikat lainnya - sebuah cluster.

^Cluster

Tetesan besar itu berat, sehingga mereka "mendorong" permukaan cairan di bawahnya. Ada lubang potensial di mana tetes besar lainnya memburu.

Lubang ini menang atas lubang potensial gelombang permukaan. Oleh karena itu, jenis interaksi gelombang bukan karakteristik dari tetesan besar.

Hubungan apa yang dimiliki tetesan dengan mekanika kuantum

Sistem tetes levitasi tidak hanya efek indah dari makrokosmos, tetapi juga fenomena yang beresonansi di dunia kuantum.

Fisikawan Amerika John Bush (John Bush) bersama rekan-rekannya dari MIT pada tahun 2013 menyaksikan apa yang disebut sebagai "jalan" turun di dekat ambang batas Faraday. Mereka "melompat" pada gelombang mereka dan bergerak di sepanjang permukaan cairan. Seperti partikel kuantum yang kecepatannya tidak melebihi kecepatan cahaya, tetesan air berjalan memiliki batasan yang sama - kecepatan perambatan gelombang dalam cairan.

Pada gilirannya, Yves Kuder ditemukan pada 2006yang turun menunjukkan sifat karakteristik gelombang. Fisikawan mengarahkan bola air ke dalam celah dan berhasil mengamati fenomena difraksi - sangat mirip dengan difraksi elektron. Dengan demikian, tetesan yang memantul dapat dianggap sebagai objek (partikel) yang menunjukkan dualitas gelombang-partikel .

Dan ini hanya sebagian kecil dari eksperimen yang menarik. Para ilmuwan juga menemukan analogi berikut:

Osilasi tetesan dalam keadaan terikat dan gerak getaran foton dalam atom kristal;
Gerakan rotasi tetesan dan pergerakan elektron di orbit.

Dengan demikian, eksperimen, fenomena, dan ketergantungan ini menarik secara fisik dan memungkinkan seseorang untuk mengamati perilaku seperti kuantum pada skala tetesan cairan.

Apa yang umum antara tetes dalam secangkir kopi dan mekanika kuantum?

Cara membuat tetes melompat

Hubungan apa yang dimiliki tetesan dengan mekanika kuantum

More articles: