Znanstvene raziskave pogosto proizvedejo osupljive slike in letošnji zmagovalec Galerija fizike mehke snovi Ni izjem. Zmagovalni videoposnetki, ki so bili izbrani na marčevskem srečanju Ameriškega fizikalnega društva prejšnji teden v Las Vegasu v Nevadi, so vključevali izkoriščanje učinka Cheerios, fiziko zamašitev in fiziko za vinske solze, da mehurčki trajajo dlje. vnosi ocenjeno Temelji na osupljivih vizualnih lastnostih in znanstvenem zanimanju. Galerijski natečaj je bil prvič ustanovljen lani po navdihu izjemno uspešnega letnega delovanja društva galerija tekočega gibanja, Vseh pet letošnjih zmagovalcev bo imelo priložnost predstaviti svoje delo na srečanju marca prihodnje leto v Minneapolisu v Minnesoti.

Sirena žita

kot smo storili že poročali,učinek veseljaZadnji opisuje fiziko v ozadju nekaterih slastnih majhnih zrn črke “O”, ki se zlepijo v skledo: bodisi središče ali nanos na zunanjem robu. Učinek je mogoče najti tudi v jezercih zrn cvetnega prahu (ali jajčec komarjev), ki plavajo na ali plavajoči kovanci v skledo vode. Krivec je kombinacija vzgona, površinske napetosti in t.i.meniskus učinek.” Vse to nekako prispeva k kapilarno delovanje, V bistvu je masa Cheerios nezadostna za prekinitev površinske napetosti mleka. Toda dovolj je, da naredite majhno vdolbino na površini mleka v skledi, da bosta dva Cheeria, če sta si dovolj blizu, naravno tekla drug proti drugemu. “Udrtine” se združijo in “o”-ji trčijo. Mešanici dodajte še en Cheerio in tudi ta bo sledil ukrivljenosti v mleku in se pomaknil proti svojemu sorodniku “O.”

Dejanske sile, ki delujejo na tako majhnem merilu, je težko izmeriti, saj so na istem merilu kot teža komarja. Običajno se to naredi tako, da senzorje namestimo na predmete in jih nastavimo, da lebdijo v posodi, s pomočjo senzorjev za odvračanje naravnega gibanja. Toda Cheerios so tako majhni, da to ni bil izvedljiv pristop. Torej podoktorski študij Univerze Brown Alireza Hoshanginejad in sodelavci Uporabljena sta dva 3D-natisnjena plastična diska, približno velik kot Cheerio, in v enega od njih postavil majhen magnet. Nato postavijo diske, da lebdijo v majhni kadi z vodo, obkroženi z električnimi tuljavami, in jim omogočijo, da se skupaj premikajo (privlačijo). Tuljava je nato ustvarila magnetno polje, ki je potegnilo magnetni disk stran od njegovega nemagnetnega partnerja (odboj).

hoshanginejad in drugi. Cheerios je iz svojih poskusov lahko izpeljal skalni zakon, ki povezuje razliko v masi, premeru in disku z močjo kapilarnega delovanja v učinku. Na primer, ugotovil je, da se na določeni razdalji med diski dve nasprotujoči si sili uravnovesita, zato se diski ustavijo v slepo ulico. Opozoril je tudi, da se določeni vzorci oblikujejo v različnih okoliščinah. Na primer, odbojnost je prevladujoča sila, ko je gostota delcev majhna, zato delci tvorijo kristalno mrežo. Povečajte gostoto in privlačna sila se poveča, ker so delci bližje skupaj. Nato delci tvorijo grozde. Še bolj povečajte silo privlačnosti in delci bodo oblikovali proge.

Ustaviti ali ne ustaviti?

Zamašitve so izdelane za številna različna področja, od šob za brizgalne tiskalnike, umivalnikov in stranišč, krvnih strdkov, kanalizacije in pretoka žita, ki teče skozi silos, pa tudi za pretok prometa in nadzor množic. Zato so seveda zelo zanimivi za raziskovalce. obstajajo tri osnovne mehanizme za zaprtjem. Do filtracije pride, ko so delci preveliki, da bi šli skozi krčenje; Premostitev nastane, ko se delci zagozdijo na zožitvi in ​​tvorijo stabilen lok; In agregacija se zgodi, ko se na zožitvi oblikujejo majhni kohezivni delci. V vseh treh scenarijih na mobilnost vplivata velikost in oblika delcev ter koliko izkrivljajo,

Ben McMillan in sodelavci z Univerze v Cambridgeu so se osredotočili na “premostitveni” scenarij: način, kako se plastika (poliuretan) zatakne skupaj, ko gre skozi majhno luknjo. To je podobno fiziki ključnega loka v arhitekturi: pritisk uteži zgoraj teži k temu, da močneje stisne tiste spodaj.

Za svoje poskuse, Macmillan in drugi, uporabil navpični lijak z lijakasto odprtino na dnu in spremljal, kako so se diski včasih zagozdili skupaj, ko so drseli po lijaku. Da bi se soočil z izzivom analize neprozornih zrnatih materialov, Macmillan in drugi. izkoristili dejstvo, da so njihovi poliuretanski diski razkrili vzorce svetlobe, ko jih gledamo med nasprotnima krožnima polarizatorjema (fotoelastičnost) – posledica sprememb lomnega količnika. Ta vzorec je odvisen od moči in smeri vsake sile, ki deluje na dani disk, zato so lahko izmerili silo med posameznimi delci.

Ekipa je dovolila, da je disk (ali delček) tekel skozi njega, dokler ni nastala ločna zamašitev. Opazili so stabilne in metastabilne ločne strukture, v katerih se zamašek sčasoma spontano zruši. Nekatere metastabilne blokade trajajo dlje kot druge. Ta fotoelastičnost jim je omogočila, da so videli, kako se različne sile razvijajo skozi čas v vsakem loku. Ugotovili so, da so nihanja v jakosti sile tista, ki določajo, ali bo lok stabilen, kar jim pomaga napovedati, kdaj se bo pojavil.

Življenje Thermal Marangoni Bubble

obstajajo mehurčki kratkoročno v naravi, Večina eksplodira v nekaj minutah v standardni atmosferi. Sčasoma sila težnosti počasi potisne tekočino na dno, hkrati pa tekoča komponenta počasi izhlapeva. Ko se prostornina tekočine zmanjša, postanejo “stene” mehurčka zelo tanke. Kombinacija teh dveh učinkov se imenuje “debelost”. Dodajanje neke vrste površinsko aktivne snovi prepreči površinsko napetost, da se mehurček sesede, tako da okrepi stene tankega tekočega filma, ki ločuje mehurček. In lani je francoskim fizikom uspelo Izdelava “večnih mehurčkov” Iz plastičnih delcev, glicerola in vode, od katerih je eden preživel rekordnih 465 dni.

Saurabh Nath in drugi kolegi z MIT so raziskovali novo metodo za podaljšanje življenjske dobe mehurčkov: izkoriščanje tako imenovanega Marangonijevega učinka, pri katerem tekočina teče iz območja z nizko površinsko napetostjo v območje z visoko površinsko napetostjo. To je zadnja zgodba”vinske solze” (aka vinske noge ali “prsti”) in učinek kavnega obročka. Na kuhinjski pult razporedite tanek sloj vode in na sredino položite kapljico alkohola in videli boste, kako voda teče navzven, stran od alkohola Njihov alkohol razlika v koncentraciji naredi a gradient površinske napetosti, poganjanje toka.

Za svoje poskuse je Nath in drugi, ustvaril mehurčke iz silikonskega olja z zrakom in z infrardečo kamero opazoval, kako nastanejo in počijo. Temperatura oljne kopeli se je izkazala za kritično. Če je bila temperatura nizka (27 °C), so mehurčki skoraj takoj počili. Pri višjih temperaturah (okoli 68 °C) so trajale dlje. Vroče olje je povzročilo temperaturni gradient, podoben gradientu površinske napetosti za solzami vina, med vrhom in dnom mehurčka. Posledica tega je Marangonijev tok navzgor, ki preprečuje zgostitev, ki jo povzroča gravitacija.

Bog in drugi. Mehurčki se nato prilepijo na kovinsko žico, obešeno tik nad površino olja. Ugotovili so, da je olje, ki teče navzgor, okrog tuljave oblikovalo tekoči meniskus, ki je sčasoma postal nestabilen – na tej točki se je oblikovala “solzna kapljica” olja in padla nazaj v kopel. Raziskovalci so lahko kvantificirali Marangonijev pretok z merjenjem velikosti in pogostosti teh solznih kapljic.

zmagovalni plakat

V letošnji Galeriji fizike mehke snovi sta bila nagrajena tudi dva plakata. Prvo (“Dry Hard: Controlling Cracks in Drying Suspension Drops”) je predstavil Mario Ibrahim s sodelavci Fluid Lab MIT, Plakat prikazuje njegovo odkritje vzorcev razpok v sušečih se kapljicah, na primer, kako plasti gline in barve pogosto pokajo in se posušijo, ali učinek kavnega obroča. Kapljice so koloidne suspenzije nanodelcev kremena v vodi.

Kapljice se dajo na stekleno podlago, da se posušijo, in ko izhlapijo, nastali tok ustvari močan podtlak, ki je do 100-krat večji od zemeljske atmosfere. To nato povzroči razpoke, ki se širijo skozi lavinsko dinamiko. Nanosi tvorijo različne vzorce razpok, odvisno od tega, ali je imel začetni padec velik ali majhen kontaktni kot s podlago, na primer vzorec, ki spominja na cvetočo rožo, ali nežen okrogel nanos (na sliki zgoraj desno), ki spominja na krila tiger. Zaradi te občutljivosti je težko nadzorovati suhe razpoke.

Drugi poster (“Colloidal Bananas Gate to Form Colloidal Vortices”) sta predstavila Carla Fernandez-Rico in Roel Dullens z Univerze v Oxfordu in prikazuje rezultate njune študije samoorganizacije delcev v vzorce tekočih kristalov v obliki polmeseca. . Je znan “koloidne bananePrvič odkrit pred skoraj 20 leti, do zdaj je naštetih več kot 50 “banana faz”, ki jih določata stopnja molekularne ukrivljenosti in oblika kristala.

Izziv je neposredno opazovati, kako se delci banan sami sestavljajo. Tako sta Fernandez-Rico in Dullens razvila optični mikroskopski sistem za določanje položaja in orientacije delcev v obliki banane z različnimi ukrivljenostmi. Zlasti so ugotovili, da se s kombinacijo “banan” visoke ukrivljenosti z nizko ukrivljenostjo delci samoorganizirajo v koloidne vrtince (tri konfiguracije so prikazane zgoraj levo), ki so presenetljivo podobni potezam s čopičem Vincenta van Gogha. zvezdna noč,