Перевернуті кораблики відправили в плавання по левитуючому шару рідини

Фізики експериментально досліджували поведінку об'єктів, які розміщувалися в лівитуючому під дією вертикальної вібрації шарі в'язкої рідини. Виявилося, що при створенні спеціальних умов біля нижньої поверхні цього шару вдається досягти плавання предметів. За зовнішніми ознаками це явище дзеркально копіює звичайне плавання (біля верхньої межі шару) - як якщо б сила тяжкості (і разом з нею виштовхуюча сила) змінила свій напрямок. Стаття опублікована в журналі.

У разі, якщо фізична система відчуває механічні коливання, в ній можуть виникати вібраційні сили - результат усередненого (за період коливань) силового впливу від вібрацій. У сукупності з тими силами, які діють без участі вібрацій, вібраційні сили можуть значно впливати на загальну поведінку системи і створювати в ній контринтуїтивні ефекти. Так, маятник Капіци - математичний маятник з вертикально вібруючим підвісом - може коливатися в перевернутому положенні, оскільки вібраційна сила з боку підвісу, який поперемінно тягне і штовхає спицю маятника, долає (при досить високій частоті вібрацій) силу тяжкості і не дає маятнику впасти.

Подібного явища можна досягти, якщо піддати вертикальним коливанням шар в'язкою рідини, який знаходиться в судині над шаром повітря. У такій ситуації вібраційні сили можуть перешкоджати формуванню крапель на нижній поверхні і подальшому витіканню речовини під дією гравітації: рідина починає левітувати.

Французькі вчені під керівництвом Бенжамена Апффеля (Benjamin Apffel) і Філіпа Новкоскі (Filip Novkoski) з Вищої школи промислової фізики і хімії міста Париж провели експеримент з дослідження поведінки об'єктів, які знаходяться в лівитуючому під дією вібрацій шарі в'язкої рідини.

Для стабілізації поверхні рідкого шару при вібраціях автори використовували силіконову олію і гліцерин - речовини з високою в'язкістю (0,2-1 паскаль-секунд, тоді як у води при кімнатній температурі - приблизно тисячна частка паскаль-секунди). Щоб змусити рідину левітувати, фізики наливали її (в кількості до 20 літрів) в судини прямокутного перерізу (шириною в діапазоні 2-20 сантиметрів), які поміщали на вібруючу (в області частот близько 60-130 герц) опору, а потім через шприц поступово наповнювали простір під рідиною повітрям.

Коли положення левітуючого рідкого шару ставало стабільним, дослідники поміщали невеликі предмети - двосантиметрові кулі різних мас (близько 3-7 грамів) і іграшкові кораблики (приблизно того ж розміру) - поблизу верхнього і нижнього поверхневих шарів і спостерігали за їх рухом. Крім того, вчені чисельно моделювали поведінку системи, умовно представляючи нижній шар повітря як пружину, яка навантажена шаром рідини і здійснює вимушені вертикальні коливання.

У результаті виявилося, що предмети, розташовані біля нижньої поверхні рідини, дзеркально повторюють поведінку предметів біля верхньої межі шару і плавають в перевернутому положенні - як якщо б гравітація змінила свій напрямок. При цьому більш масивні об'єкти поміщалися в рідину глибше (тобто, всупереч інтуїції, розташовувалися вище, ніж їх легкі аналоги), проте найважчі предмети (кулі починаючи з маси близько 6 грамів) падали до того, як встигали порушити стабільність нижньої поверхні. Крім того, в межах помилки вимірювань вченим вдалося підтвердити прогнози висунутої моделі про величину швидкості коливань, необхідної для стабілізації рідкого шару даних розмірів.

Автори запропонували також фізичну інтерпретацію спостережуваному ефекту. За їхніми словами, поведінку системи можна пояснити тим, що при вібраціях коливається і величина зануреного в рідину обсягу тіла - при усередненні в часі це призводить до появи вібраційної сили, яка втягує предмет всередину рідкого шару і компенсує силу тяжіння.

Вчені вважають, що майбутні дослідження ефектів поблизу нижньої поверхні левітуючої рідини дозволять розширити експериментальні знання про явища на кордоні розділу рідин і повітря і дозволять зрозуміти, як на них впливають зміна звичайного взаємного розташування цих середовищ і просторові коливання.

Раніше ми розповідали і про інші незвичайні погляди вчених на плавання. Так, у 2015 році японський фізик змоделював рух «плавців» всередині надплинної рідини, а в липні 2017 китайські дослідники розробили мікророботів, які здатні плавати всередині кровоносних судин.