Παρακολουθήστε αιωρούμενα ανάποδα σκάφη να ανατρέπουν τον νόμο της άνωσης

Αν είστε λάτρης των θαλάσσιων σπορ που αναζητάτε μια νέα συγκίνηση, τι γίνεται με την ανάποδη ιστιοπλοΐα; Η ιδέα μπορεί να μην είναι τόσο περίεργη. Σε μια νέα μελέτη, οι φυσικοί κατάφεραν να επιπλέουν μικροσκοπικές βάρκες στην κάτω πλευρά ενός στρώματος υγρού που αιωρείται στον αέρα (βλ. κινούμενα σχέδια, παραπάνω). Εκτός από το ότι ανοίγει κάποιες ασυνήθιστες ναυτικές δυνατότητες, η ανακάλυψη κυριολεκτικά ανατρέπει την κατανόησή μας για την άνωση.

Η επιστήμη πίσω από το γιατί επιπλέουν οι βάρκες παρέμεινε σε μεγάλο βαθμό αμετάβλητη από τότε που ο αρχαίος Έλληνας μαθηματικός Αρχιμήδης εξήγησε πώς η καθοδική δύναμη της βαρύτητας εξισορροπείται από την ανοδική πίεση από το εκτοπισμένο νερό. Αλλά οι δονήσεις μπορούν να προκαλέσουν περίεργη συμπεριφορά που αψηφά τη βαρύτητα. Το 1951, ο Ρώσος βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός Pyotr Kapitsa περιέγραψε πώς το γρήγορο τίναγμα ενός εκκρεμούς πάνω-κάτω το κάνει να ισορροπεί όρθιο αντί να ταλαντεύεται προς τα κάτω στη φυσική του σταθερή θέση. Από τότε, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει δονήσεις για να κάνουν τα υγρά να αιωρούνται στον αέρα και να βυθίζουν τις φυσαλίδες αέρα αντί να ανεβαίνουν. Η νέα μελέτη προτείνει ότι μπορούν επίσης να αντιστρέψουν τους κανόνες της άνωσης.

«Είναι πολύ αντίθετο», λέει ο Vladislav Sorokin, μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Όκλαντ. "Δουλεύω σε αυτόν τον τομέα εδώ και αρκετό καιρό, αλλά δεν περίμενα ότι κάτι τέτοιο θα μπορούσε να ανακαλυφθεί."

Υπήρχε γαλήνη στην ανακάλυψη, λέει ο Emmanuel Fort, ένας φυσικός στο ESPCI Paris που ηγήθηκε της έρευνας. Προηγούμενα πειράματα είχαν δείξει ότι τα παχύρρευστα υγρά σε ένα δονούμενο δοχείο μπορούν να αιωρούνται. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε φορά που μέρος του υγρού προσπαθεί να στάξει κάτω, το τίναγμα παρέχει μια αντίθετη δύναμη που το σπρώχνει ξανά προς τα πάνω. Αυτό εμποδίζει τη διάσπαση της κάτω επιφάνειας του υγρού και παγιδεύει ένα μαξιλάρι αέρα από κάτω.

Αλλά ο Fort, του οποίου το εργαστήριο επικεντρώνεται στην οπτική και την απεικόνιση, δεν γνώριζε αυτήν την προηγούμενη έρευνα. Αυτός και οι συνάδελφοί του εμπνεύστηκαν από το εκκρεμές του Καπίτσα για να δουν αν μπορούσαν να αναπαράγουν παρόμοια συμπεριφορά σε ένα υγρό. Έφτιαξαν ένα δοχείο από πλεξιγκλάς πάνω από μια μηχανή ανακίνησης και το γέμισαν με παχύρρευστα υγρά όπως λάδι πυριτίου ή γλυκερίνη. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησαν μια βελόνα για να εγχύσουν ένα στρώμα αέρα στο κάτω μέρος και είδαν ότι το δονούμενο υγρό αιωρείται από πάνω του.

Αφού συνειδητοποίησε ότι τα φαινόμενα είχαν καταγραφεί πριν από δεκαετίες, ο Fort λέει ότι βελτίωσαν το πείραμα περαιτέρω βάζοντας μικρές χάντρες στο αιωρούμενο υγρό στρώμα - και είδαν ότι επέπλεαν σταθερά στην κάτω πλευρά του υγρού. «Ήταν εντελώς απροσδόκητο», λέει ο Φορτ. Για οπτικό αντίκτυπο, αντάλλαξαν τις χάντρες με μικρά μοντέλα σκαφών και διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να επιπλέουν τόσο στην επάνω όσο και στην κάτω επιφάνεια ταυτόχρονα.

Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μοντέλο για να εξηγήσουν πώς αντικατοπτρίζονται τα αποτελέσματα της άνωσης στην κάτω πλευρά του ρευστού. Κανονικά, ελαφρές διαταραχές θα πρέπει είτε να σπρώχνουν το αντικείμενο προς τα κάτω στον ελεύθερο αέρα, προκαλώντας την πτώση του, είτε προς τα πάνω στο υγρό, όπου η άνωση θα κυριαρχούσε και θα το ωθούσε προς τα πάνω. Αλλά οι ισχυροί κραδασμοί μπορούν να ακυρώσουν αυτές τις διαταραχές. Διατηρούν το αντικείμενο σταθερό στην κάτω επιφάνεια όπου η έλξη προς τα κάτω της βαρύτητας και η προς τα πάνω έλξη της άνωσης είναι τέλεια ισορροπημένες, αναφέρει η ομάδα σήμερα στο Nature .

Δεν είναι ακόμη σαφές εάν το κόλπο έχει πρακτικές χρήσεις. Οι δονήσεις έχουν χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της κίνησης των φυσαλίδων σε υγρά για επεξεργασία ορυκτών και χημικές αντιδράσεις, αλλά ο Sorokin λέει ότι θα χρειαστεί περαιτέρω έρευνα για να προσδιοριστεί εάν αυτή η νέα ανακάλυψη είναι εξίσου χρήσιμη. Η μεγαλύτερη συμβολή, προσθέτει, δείχνει ότι τα δονητικά συστήματα εξακολουθούν να διατηρούν ανεξερεύνητες εξωτικές συμπεριφορές.

Το setup της ομάδας δεν χρησιμοποίησε ποτέ περισσότερο από μισό λίτρο υγρού, αλλά οι εξισώσεις τους υποδηλώνουν ότι το μόνο πράγμα που περιορίζει τον όγκο είναι η δύναμη της μηχανής ανακίνησης. Και ενώ η προσέγγιση λειτουργεί καλά με παχύρρευστα υγρά, δεν αποδίδει τόσο καλά με το νερό, λέει ο Fort. Έτσι, αν δεν είστε χαρούμενοι που πετάτε σε μια θάλασσα με κολλώδες ορυκτέλαιο, τα όνειρά σας για ανάποδη ιστιοπλοΐα μπορεί να είναι μάταια.