Pozrite si víťazov tohtoročnej Galérie fyziky mäkkých látok – Ars Technica

Vedecký výskum často produkuje pozoruhodné vizuály a tohtoročný víťaz Galéria fyziky mäkkých látok Neexistujú žiadne výnimky. Víťazné videá vybrané počas minulotýždňového marcového stretnutia American Physical Society v Las Vegas v Nevade zahŕňali využitie efektu Cheerios, fyziku drevákov a fyziku za slzami vína, aby bubliny vydržali dlhšie. záznamy hodnotené Na základe pozoruhodných vizuálnych kvalít a vedeckého záujmu. Súťaž galérií bola prvýkrát založená minulý rok, inšpirovaná mimoriadne úspešným ročníkom spoločnosti galéria plynulého pohybu, Všetci piati tohtoroční víťazi budú mať možnosť prezentovať svoju prácu na stretnutí budúci rok v marci v Minneapolise v štáte Minnesota.

Cereálie morskej panny

Ako sme už spomenuli,cheerios efektPosledná popisuje fyziku za niektorými lahodnými malými zrnkami „O“, ktoré sa zhlukujú v miske: buď v strede alebo na vonkajšom okraji. Tento efekt možno nájsť aj v jazierkach s peľovými zrnkami (alebo vajíčkami komárov) plávajúcimi na alebo plávajúce mince v miske s vodou. Na vine je kombinácia vztlaku, povrchového napätia a tzv.meniskus efekt.“ To všetko sa sčítava kapilárne pôsobenie, V zásade je hmotnosť Cheerios nedostatočná na prerušenie povrchového napätia mlieka. Stačí však urobiť malú priehlbinu na povrchu mlieka v miske, takže ak sú dve Cheerios dostatočne blízko, budú prirodzene prúdiť k sebe. „Preliačiny“ sa spájajú a „o“ sa zrážajú. Pridajte do zmesi ďalšie Cheerio a bude tiež sledovať zakrivenie mlieka a bude sa unášať smerom k svojmu druhému „O“.

Skutočné sily pôsobiace v takom malom meradle sa ťažko merajú, pretože sú na rovnakej stupnici ako hmotnosť komára. Typicky sa to robí umiestnením senzorov na predmety a ich vznášaním sa v nádobe pomocou senzorov na odklonenie prirodzeného pohybu. Ale Cheerios sú také malé, že to nebol životaschopný prístup. Takže postdoktor Brown University Alireza Hoshanginejad a kolegovia Použité dva plastové disky s 3D tlačou, zhruba veľkosti Cheerio a do jedného z nich umiestnili malý magnet. Potom nechali disky plávať v malej vani s vodou obklopenej elektrickými cievkami a umožnili im, aby sa spolu unášali (priťahovali). Cievka zase vytvorila magnetické pole, ktoré ťahalo magnetický disk preč od jeho nemagnetického partnera (odpudzovanie).

hoshanginejad a ďalšie. Cheerios bol schopný odvodiť zákon o mierke zo svojich experimentov vzťahujúcich rozdiel v hmotnosti, priemere a kotúči k sile kapilárneho účinku pri účinku. Napríklad zistil, že v určitej vzdialenosti medzi kotúčmi sa dve protichodné sily vyrovnajú, takže kotúče uviaznu v mŕtvom bode. Poznamenal tiež, že určité vzory sa vytvárajú za rôznych okolností. Napríklad odpudzovanie je dominantnou silou, keď je hustota častíc nízka, takže častice tvoria kryštálovú mriežku. Zvýšte hustotu a príťažlivá sila sa zvýši, pretože častice sú bližšie k sebe. Potom častice tvoria zhluky. Zvýšte ešte viac príťažlivú silu a častice vytvoria pruhy.

Zastaviť či nezastaviť?

Upchávky sa vyrábajú pre mnoho rôznych oblastí, od trysiek atramentových tlačiarní, drezov a toaliet, krvných zrazenín, kanalizácie a toku obilia prúdiaceho cez silo, ako aj toku dopravy a kontroly davu. Prirodzene sú teda predmetom veľkého záujmu výskumníkov. existujú tri základné mechanizmy za uzáverou. K filtrácii dochádza, keď sú častice príliš veľké na to, aby prešli kontrakciou; Premostenie nastane, keď sa častice zaseknú v zúžení a vytvoria stabilný oblúk; A agregácia nastáva, keď sa v zúžení tvoria malé súdržné častice. Vo všetkých troch scenároch je mobilita ovplyvnená veľkosťou a tvarom častíc, ako aj ako veľmi skresľujú,

Ben McMillan a kolegovia z University of Cambridge sa zamerali na scenár „premostenia“: spôsob, akým sa plast (polyuretán) zasekne, keď prejde cez malý otvor. Je to podobné ako fyzika oblúkového oblúka v architektúre: tlak závažia nad ním má tendenciu silnejšie stláčať závažie pod ním.

Za svoje experimenty, Macmillan a ďalšie, použili vertikálnu násypku s lievikovitým otvorom na dne a sledovali, ako sa disky niekedy zasekli, keď kĺzali po lieviku. Na splnenie výzvy analýzy nepriehľadných zrnitých materiálov, Macmillan a ďalšie. využili skutočnosť, že ich polyuretánové disky odhalili vzory svetla pri pohľade medzi opačnými kruhovými polarizátormi (fotoelasticita) – výsledok zmien indexu lomu. Tento vzor závisí od sily a smeru každej sily pôsobiacej na daný disk, takže boli schopní zmerať silu medzi jednotlivými časticami.

Tím umožnil disku (alebo častici) prúdiť cez ňu, až kým sa nevytvoril oblúkovitý upchat. Pozorovali stabilné aj metastabilné oblúkové štruktúry, v ktorých upchatie nakoniec spontánne skolabuje. Niektoré metastabilné blokády pretrvávajú dlhšie ako iné. Táto fotoelasticita im umožnila vidieť, ako sa rôzne sily vyvíjali v priebehu času v každom oblúku. Dospeli k záveru, že práve kolísanie sily určuje, či bude oblúk stabilný, čo im pomáha predpovedať, kedy k nemu dôjde.

Život termálnej bubliny Marangoni

Bubliny sú vo svojej podstate krátkodobé. Väčšina exploduje v priebehu niekoľkých minút v štandardnej atmosfére. Postupom času gravitačná sila pomaly tlačí kvapalinu ku dnu a súčasne sa tekutá zložka pomaly vyparuje. Keď sa objem kvapaliny zníži, „steny“ bubliny sa veľmi stenčujú. Kombinácia týchto dvoch účinkov sa nazýva „obezita“. Pridaním nejakého druhu povrchovo aktívnej látky zabráni povrchovému napätiu zrúteniu bubliny posilnením stien tenkého tekutého filmu oddeľujúceho bublinu. A minulý rok sa to francúzskym fyzikom podarilo Vytváranie „večných bublín“ Z plastových častíc, glycerolu a vody, z ktorých jedna prežila rekordných 465 dní.

Saurabh Nath a ďalší kolegovia z MIT skúmali novú metódu na predĺženie životnosti bublín: využitie takzvaného Marangoniho efektu, pri ktorom kvapalina prúdi z oblasti s nízkym povrchovým napätím do oblasti s vysokým povrchovým napätím. Toto je jav, ktorý stojí za „vínnymi slzami“ (známymi ako vínové nohy alebo „prsty“) a efektom kávového prstenca. Na kuchynskú linku rozotrite tenkú vrstvu vody a do stredu dajte kvapku alkoholu a uvidíte, ako voda vyteká smerom von z alkoholu. Rozdiel v ich koncentráciách alkoholu spôsobuje a gradient povrchového napätia, riadenie toku.

Pre svoje experimenty, Nath a ďalšie, vytvárali bubliny zo silikónového oleja so vzduchom a pomocou infračervenej kamery pozorovali, ako sa formovali a praskali. Teplota olejového kúpeľa sa ukázala ako kritická. Ak bola teplota nízka (27 °C), bubliny praskli takmer okamžite. Pri vyšších teplotách (okolo 68 °C) vydržali dlhšie. Horúci olej vytvoril teplotný gradient, podobný gradientu povrchového napätia za slzami vína, medzi hornou a spodnou časťou bubliny. To má za následok vzostupný tok Marangoni, ktorý pôsobí proti zahusťovaniu vyvolanému gravitáciou.

Bože a ďalšie. Bubliny sa potom prilepia na kovový drôt zavesený tesne nad povrchom oleja. Zistili, že olej tečúci nahor vytvoril okolo cievky tekutý meniskus, ktorý sa nakoniec stal nestabilným – v tomto bode sa vytvorila „slza“ oleja a spadla späť do kúpeľa. Výskumníci boli schopní kvantifikovať tok Marangoni meraním veľkosti a frekvencie týchto kvapiek sĺz.

víťazný plagát

Na tohtoročnej Galérii fyziky mäkkých látok boli ocenené aj dva plagáty. Prvý („Dry Hard: Controlling Cracks in Drying Suspension Drops“) predstavil Mario Ibrahim a kolegovia Fluidné laboratórium MIT, Plagát ukazuje jeho objavenie vzorov prasklín v schnúcich kvapkách, ako napríklad to, ako často praskajú a schnú vrstvy hliny a farby, alebo efekt prstenca kávy. Kvapky sú koloidné suspenzie nanočastíc oxidu kremičitého vo vode.

Kvapôčky sa umiestnia na sklenený substrát, aby sa vysušili, a keď sa odparujú, výsledný prúd vytvára silný podtlak až 100-krát väčší ako v zemskej atmosfére. To zase vytvára trhliny, ktoré sa šíria lavínovou dynamikou. Usadeniny tvoria rôzne vzory prasklín v závislosti od toho, či mala počiatočná kvapka veľký alebo malý kontaktný uhol so substrátom, napríklad vzor, ​​ktorý pripomína kvitnúci kvet alebo jemný kruhový nános (na obrázku vpravo hore), ktorý pripomína krídla tiger. Táto citlivosť sťažuje kontrolu suchých trhlín.

Druhý plagát („Brána koloidných banánov na vytváranie koloidných vírov“) predstavili Carla Fernandez-Rico a Roel Dullens z Oxfordskej univerzity a zobrazuje výsledky ich štúdie samoorganizácie častíc do vzorov tekutých kryštálov v tvare polmesiaca. . Je známe „koloidné banányPrvýkrát objavený pred takmer 20 rokmi, je tu doteraz uvedených viac ako 50 „banánových fáz“, ktoré sú určené stupňom molekulárneho zakrivenia a tvarom kryštálov.

Je náročné priamo pozorovať, ako sa banánové častice samy zostavujú. Fernandez-Rico a Dullens teda vyvinuli systém optickej mikroskopie na určenie polohy a orientácie častíc v tvare banánu s rôznym zakrivením. Predovšetkým zistili, že kombináciou vysokého zakrivenia s „banánmi“ s nízkym zakrivením sa častice samy organizujú do koloidných vírov (tri konfigurácie sú zobrazené vľavo hore), ktoré sa nápadne podobajú ťahom štetca Vincenta van Gogha. hviezdna noc,