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当液滴“行走”过液体表面时,产生了一系列前所未见的行为!

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发表于 2020-5-18 12:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
当液滴“行走”过液体表面时,产生了一系列前所未见的行为!

Original 手机软件:博科园
天文物理 3 days ago



                               
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当一个装有硅油或其他类似液体的容器以一定频率垂直摇动时,放置在液体表面1毫米大小的相同液体液滴在它们自身波浪推动下,以大约1厘米/秒的速度“行走”过表面。在一项新研究中,物理学家们发现这些行走的水滴比以前观测到的要大得多(直径可达2.8毫米),速度也更快(5厘米/秒)。这些“超级步行者”展示了一系列前所未见的行为,包括新颖的同步运动。步行者的一个有趣特征是,虽然运动可以完全用经典力学来解释。但一些行为模仿了某些通常只存在于原子尺度上的量子现象。

                               
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这些特征的例子包括隧穿、量子化轨道和多个液滴之间的相关性。从某种意义上说,液滴力学可以看作是经典力学和量子力学的结合,粒子和波的行为同时存在。莫纳什大学科学家Rahil Valani和Anja Slim,以及斯文本科技大学的Tapio Simula在新一期的《物理评论快报》上发表了关于“超级步行者”的论文。超级步行者开启了一个全新的世界,探索已经显示出奇异行为的行走液滴研究领域。
为了制造一个正常大小的步行器,一个装有液体的容器要以一个固定的频率垂直摇动,比如80赫兹。在这项新的=研究中,研究人员发现,当液体同时受到两种频率的驱动时(例如,80赫兹和它的次谐波频率40赫兹)放在表面的液滴就会成为超级步行者。

                               
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为了创造超级步行者,研究人员要么使用注射器(对于较大的超级步行者),要么快速浸入水中并从液体中抽出一根针(对于较小的超级步行者)。由于体型庞大,超级步行者有很大惯性,这意味着它们抗拒改变。超级步行者可以利用惯性来克服通常阻止步行者彼此接触的波障。因此,由于重叠的波场,这些超级步行者可以更强烈地相互作用。这种互动产生了很多新的有趣行为。例如,超级步行者可以成对或成群地紧密结合在一起,它们之间只有一层薄薄的空气。

                               
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如果有不同的尺寸,沿圆周运动,但如果有相同的尺寸,就沿直线运动。在其他条件下,超级步行者表现得像“追求者”,在这种情况下,较小超级步行者会追赶较大的,有时会形成长长的队伍。另一些时候,超级步行者会形成“散步配对”,肩并肩走着,互相弹跳。有时候,超级步行者会绕着彼此的轨道运行,就像双星一样,这也是正常尺寸步行者会做的事情。

                               
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但是,如果一个超级步行者比另一个大,它们就会间歇性地改变轨道方向。通过调整振荡幅度和频率,研究人员发现了其他新行为。例如在低驱动振幅的40赫兹振动,超级步行者采取晶体配置。随着振幅的逐渐增大,超级步行者开始抖动,然后失去晶体结构,最后开始像台球一样快速地相互反弹。研究人员将这些动力学现象与以振幅作为温度参数的固液气相变进行了比较。当把次谐波频率稍微降低到39.5赫兹时,观察到超级步行者表现出同步的走走停停运动,他们都同步走路,然后同时停下来,然后再走。

                               
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这种行为的发生是因为两个频率之间不断变化的相位差导致超级步行者在超级步态和弹跳状态之间来回切换。研究人员预计,未来研究将揭示更多关于超级步行者的量子特征。这些行走液滴形成了一个迷人的动力系统,在这个系统中,每次弹跳的液滴都会在自身周围产生一种波,而这些波反过来又引导水滴运动,从而形成一个移动的波-水滴实体。步行者已经被证明可以模拟几个量子特征,探索超级步行者在此类实验中的行为将很有趣。
博科园|Copyright Science X Network/Lisa Zyga,Phys
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.024503


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