🏪 ⚰️ 💇🏿 O que é comum entre gotas em uma xícara de café e mecânica quântica? 🦄 🤰 🈲

Esta é uma seção especial do ITMO New Physics Institute . Aqui, cientistas, professores e alunos da Faculdade de Física e Tecnologia refletem sobre a ciência, o processo educacional e os dias úteis.

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Uma gota caindo na superfície de um líquido desaparece rapidamente, mas não instantaneamente. A confluência da gota com o líquido é atrasada devido ao ar que sai da camada intermediária. O efeito pode ser visto na fonte, na pia da cozinha e até em um copo de café .

^{Gota em uma xícara de café}

Quando a gota se aproxima da superfície do líquido, o ar na camada intermediária não tem tempo para sair. A pressão aumenta, a queda perde sua velocidade e pode até saltar. Mas cada vez que salta mais e mais, como parte da energia é dissipada devido à influência de forças externas. Mais e mais ar sai do intermediário e, quando sua espessura se torna crítica, a bola de água se funde com o líquido devido às forças da interação molecular.

Como fazer saltar gotas

Um fato interessante é que pode ser feita uma queda para pular se a energia perdida for continuamente fornecida a ela - por exemplo, por meio de oscilações da superfície da água. O líquido empurrará uma gota antes mesmo que a camada de ar fique mais fina.

O fenômeno das gotículas quicando foi descrito pela primeira vez pelo físico americano Jearl Walker em 1978. Mas o estudo da dinâmica desse fenômeno levou apenas 30 anos depois - pesquisadores franceses da Universidade de Paris VII, liderados por Yves Couder (Yves Couder).

A instalação necessária para observar as quedas de salto é bastante simples. Consiste em um patógeno e um gerador de gotículas . O papel do primeiro pode ser desempenhado por um alto-falante no qual está instalado um banho com solução com sabão ou óleo de silicone. Como um segundo, um palito comum é adequado. Aqui está um exemplo do aparelho que montamos:

^{O invólucro da instalação, impresso em uma impressora 3D e seu circuito Uma}

gota que cai no banho começará a "levitar" apenas a uma certa frequência e amplitude das vibrações do alto-falante - esses parâmetros são determinados experimentalmente. Mas há uma condição básica: a amplitude deve ser suficiente para lançar uma gota, mas não o suficiente para o aparecimento de uma onda de Faraday. São ondas estacionárias na superfície de um líquido que o desestabilizam.

A capacidade de uma bola de água saltar também é afetada pelo seu tamanho. Determina a amplitude mínima necessária para alcançar o efeito. Quanto menor a gota, menor a amplitude necessária para a recuperação - ou seja, a gota é capaz de saltar continuamente em uma faixa maior de amplitudes e frequências.

^{Ripple faraday}

Curiosamente, as gotas não podem apenas saltar. Eles são capazes de se mover ao longo de certas trajetórias e interagir entre si. O fenômeno é devido às ondas que as bolas geram a cada salto da superfície. As gotas tendem a ocupar uma posição correspondente ao mínimo local de energia potencial, determinado pela interferência das ondas geradas. Existem muitas dessas posições, mas elas estão localizadas à mesma distância uma da outra - é igual à metade do comprimento de onda. De uma posição, uma queda sempre pode ser "empurrada" para outra.

^{Cristal de duas gotas que saltam de maneira estável e}

também gotas que saltam formam estruturas estáveis como cristal. Por exemplo, as formas geométricas corretas - triângulos, quadrados, pentágonos.

A natureza das ondas da interação pode explicar um efeito interessante - a escalabilidade do cristal com uma lenta mudança de frequência. Com seu aumento, a distância entre as bolas de água aumenta e, com uma diminuição, pelo contrário, diminui.

^{Figuras geométricas de gotas}

As figuras são suficientemente "elásticas" para que possam ser movidas sem destruir a estrutura do cristal. Aqui está um exemplo desse efeito:

^{Movimento de cristal}

Se as gotas saltitantes estiverem próximas o suficiente e seus tamanhos forem relativamente grandes, elas se desviarão uma da outra, formando outro estado vinculado - um aglomerado.

^Clusters

Gotas grandes são pesadas e, por isso, "empurram" a superfície do líquido por baixo. Existe um buraco em potencial onde outras gotas grandes correm.

Este poço prevalece sobre poços potenciais de ondas de superfície. Portanto, o tipo de interação da onda não é característico de grandes quedas.

Que relação as gotículas têm com a mecânica quântica

O sistema de levitar gotas não é apenas um belo efeito do macrocosmo, mas também um fenômeno que ressoa no mundo quântico.

O físico americano John Bush (John Bush), com colegas do MIT em 2013, observou as chamadas quedas de "caminhada" aparecendo perto do limiar de Faraday. Eles “pulam” em suas ondas e se movem ao longo da superfície do líquido. Como as partículas quânticas cuja velocidade não excede a velocidade da luz, as gotas ambulantes têm uma limitação semelhante - a velocidade de propagação das ondas em um líquido.

Por sua vez, Yves Kuder descobriu em 2006as gotas exibem propriedades características das ondas. O físico direcionou as bolas de água para a fenda e conseguiu observar o fenômeno de difração - muito semelhante à difração de elétrons. Assim, gotículas quicando podem ser consideradas objetos (partículas) exibindo dualidade onda-partícula .

E isso é apenas uma pequena parte de experimentos interessantes. Os cientistas também encontraram as seguintes analogias:

Oscilações de gotículas em estado ligado e movimento vibracional de fótons em um átomo de cristal;
Movimento rotacional de gotículas e movimento de elétrons em órbita.

Assim, esses experimentos, fenômenos e dependências são de interesse físico e permitem observar um comportamento quântico na escala de gotículas líquidas.

O que é comum entre gotas em uma xícara de café e mecânica quântica?

Como fazer saltar gotas

Que relação as gotículas têm com a mecânica quântica

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