"Nematomo apsiausto" koncepcija gali padėti judėti į skystį be pasipriešinimo • Jurijus Erinas • Mokslo naujienos "Elementai" • Fizika

„Nematomo apsiausto“ koncepcija gali padėti judėti į skystį be pasipriešinimo

Pav. 1. Įrenginio diagrama, kad būtų pasiektas tobulas srautas (nulinis pasipriešinimas ir nėra charakteristikos pėdsakų). Sferinis spindulys objektasanepralaidus skysčiui, padengtas koncentriška spinduliub iš akytos medžiagos. Rodyklės žemiau rodo skysčio srauto kryptį. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Fiz. Rev. Lett.

Po to, kai pasirodė nematomo apsiausto modelis, buvo nustatyta, kad šio įrenginio koncepcija taip pat gali būti naudojama projektuojant kitokio tipo "apsiaustus" – maskuojančius objektus nuo garso bangų, skysčio paviršiaus bangų, žemės drebėjimų (seisminių bangų) ir šilumos pasiskirstymo. Taikydama šią koncepciją, Amerikos teorijos fizikai pasiūlė prietaiso modelį, su kuriuo objektai gali judėti skysčiuose be atsparumo, nepaliekant jiems būdingos pėdsakų.

Fizikoje situacija yra gana įprasta, kai naudojamas metodas, naudojamas vieno reiškinio matematiniam aprašymui arba bandoma jį naudoti, siekiant išspręsti visiškai skirtingas fizines problemas. Pavyzdžiui, idėjos, kuriomis grindžiama mikroskopinė superlaidumo teorija,sėkmingai pritaikytos kai kurioms fizikinių elementų dalelių problemoms išspręsti (žr. Nobelio premiją fizikoje – 2008, "Elements", 2008.10.10).

Kitas pavyzdys – superstringų teorija – matematinis aparatas, kurį ekspertai bando naudoti kondensuotų medžiagų fizikoje apibūdinti, ypač paaiškinti aukšto temperatūros superlaidumą (žr. "Superstringų teorijos idėjos" naudojamos kondensuotųjų medžiagų fizikoje, Elements, 2008 m. Liepos 8 d.).

Vienas iš naujausių tokios vaisingos įtakos pavyzdžių yra nematomos apsiaustos sąvoka. Nematomas apsiaustas yra prietaisas, kuris daro objektą nematomą visai arba iš pradžių nurodytai elektromagnetinių bangų diapazone, nepriklausomai nuo kampo (matymo kampo), kad šios bangos "apšvies" dengtą objektą.

Jo įgyvendinimas tapo įmanomas dėl dirbtinai sukurtų anizotropinių medžiagų (vadinamųjų metamedžiagų). Šių metamedžiagų magnetinė ir elektrinė pralaidumas turėtų būti paskirstyta viduje, kad, kai elektromagnetinė banga pateks į tokią aplinką, ji "aplenks" uždengtą objektą ir tada atkurs pradinę kryptį ir savybes.Dėl to atsitiktinis stebėtojas, kuris gauna elektromagnetinę spinduliuotę, susidaro įspūdis, kad paleidimo proceso metu bangai nepasitaikė jokių kliūčių.

Tiesioginis metamaterialo, iš kurio pastatytas nematomas apsiaustas, elektros energijos ir magnetinių savybių pasiskirstymas yra transformacijos, kuri paverčia Dekreto koordinatės sistemą į koordinačių sistemą, kurioje paviršiaus spindulių takai tampa tiesios linijos, paieška, o erdvė, paslėpta nuo smalsių akių, yra tiesiog išnyks. Šios paieškos rezultatas bus koeficientai, jungiantys senus dekarto giminės koordinates su naujais.

Tada, naudojant Maxwello lygčių sistemą (jie apibūdina elektromagnetinių bangų, judančių medžiagoje, elektrines ir magnetines savybes), apskaičiuojamos nustatytos koeficientų vertės, reikalingos nematomos apsiaustinės medžiagos dielektrinių ir magnetinių pralaidumo vertės. Kitaip tariant, formulės, apibūdinančios vienos (Dekarto) koordinačių sistemos transformaciją į kitą, leidžia mums nustatyti norimą paskirstymą metamedžiagos elektromagnetinėms charakteristikoms,per kurį spinduliai apeins teritoriją, kurioje yra objektas.

Kadangi nematomo apsiausto sukūrimas iš tiesų yra matematinė problema, akivaizdu, kad šio metodo naudojimas kitose fizikos srityse, kuriose dalyvauja bangų procesai, pvz., Garso ar šilumos skleidimas, nėra apribojimų. Vienintelis pakeitimas, kuris turi būti atliekamas per šį perėjimą, yra atitinkama lygtis, kuri padės teisingai interpretuoti reikalingos metamedžiagos savybes. Pavyzdžiui, jei mes kalbame apie garso bangas, tada vietoj Maxwello lygties turėtų būti akustinės lygtys; terminio proceso atveju būtina naudoti šilumos lygtį ir tt

Iš tikrųjų praėjus metams nuo straipsnio, kuriame apibūdinama elektromagnetinių bangų nematomų apsiuvų sukūrimas, paskelbimo, pradėjo veikti teoriniai darbai, kuriuose buvo apskaičiuotos metamedžiagų savybės paslėpti objektus nuo garso bangų.

Dar daugiau. Yra pasiūlymų naudoti nematomosios apsirengimo koncepciją statyti metamedžiagas, galinčius reguliuoti šilumos perdavimo kryptį.Be to, buvo apskaičiuotos metamedžiagos savybės, kurios gali padėti išvengti destruktyvaus seisminių bangų poveikio.

Galiausiai, naudojant idėjas, kuriomis grindžiamas nematomą apsiaustą, praktiškai buvo įgyvendintas objektas, apimantis objektą nuo bangų ant skysčio paviršiaus.

Šių pavyzdžių įkvėptieji pavyzdžiai, JAV teoriniai fizikai savo straipsnyje pasiūlė prietaiso, kuris kontroliuoja judančio skysčio srautą, modelį, kad jame esantis kūnas idealiai suprastėtų (nepalieka jo užfiksuotų bruožų) ir dėl to juda judant nuliui skystoje terpėje.

Norint pasiekti šį efektą, mokslininkai objektą suprato specialia porine terpe (1 pav.). Straipsnio autoriai teigia, kad ši terpė turi praeiti skysčiu tokiu būdu (ir atitinkamai turi tokias savybes), kad skysčio srauto struktūra nekeistų, praeinant pro poringą medžiagą.

Čia aiškiai matoma analogija su nematomu apsiaustu. Vietoje metamedžiagos, skirtos nematomam apsiaustui – fotoniniai kristalai ir suskaidymo grandinės (mažos, mikrobangų spinduliuotės bangos ilgio eilės tvarka,rezonansinės grandinės su pjūviais) – yra metamedžiaga – akytosios terpės ir elektromagnetinio lauko elektros linijos, kurios yra konkrečiai iškraipytos metamedžiagos, kad jų kryptis ir tankis prieš ir po to, kai praeina pro nematomą apsiaustą, yra vienodi, yra pakeičiamos skysčio srauto linijomis. Straipsnio autorių uždavinys buvo surasti tokius poringos terpės (metamaterialo) parametrus, kurie atitiktų aukščiau išdėstytas sąlygas, t. Y., Kad terpė deformuoja srauto linijas tuo pačiu būdu.

Norėdami išspręsti šią problemą, mokslininkai ginklavo save su Brinkman-Stokes lygčių sistema, kuri apibūdina skysčio tekėjimą poringoje terpėje. Ši sistema yra lygtis Navierio-Stoko (pagrindinės hidrodinamikos lygtys) ir Darcyo teisės, kuri charakterizuoja skysčio filtravimą per poringą terpę, derinys.

Siekiant supaprastinti tolesnius skaičiavimus, straipsnio autoriai laikomi skysčių nepralaidumu (buvo nuspręsta pasirinkti modelį naudojantį vandenį), sferinis spindulio objektas akuris buvo apsuptas koncentriniu pralaidžiu akytojo korpuso su išoriniu spinduliu b = 1 mm (1 pav.).

Kitas supaprastinimas buvo susijęs su vandens srauto pobūdžiu, ypač buvo manoma, kad jis yra laminarinis, tai yra, maždaug kalbant, sūkuryje nėra skysčio (srauto linijos nesisuka). Be to, Reinoldso numeris (be matmenų parametras, apibūdinantis skysčio srautą, laminarą ar turbulenciją) yra laikomas maždaug 1. Kitaip tariant, srautas yra labai tylus ir nepaaiškina perėjimo prie turbulentinio režimo (kritinės Reynoldso skaičiaus vertės, kai perėjimas iš laminarinio srauto į turbulenciją , nes tokia geometrija yra apie 1000).

Jei dėl nematomo apsiausto apskaičiuotos metamedžiagos savybės buvo dielektrinės ir magnetinės pralaidumo, dabar mokslininkai turėjo apskaičiuoti tokią terpės savybę kaip akytumą, be matmenų koeficientą, kurio vertė nuo 0 (medžiagoje nėra porų) iki 1 (visiškai porėtos medžiagos, nepasiekiamos tikrovės vaizdas). Brinkmano-Stokeso lygtyje šis parametras iš tikrųjų "reguliuoja" skysčio tekėjimo kryptį per poringą terpę, todėl būtent toks skirstymas į šį metamaterialą turi būti tokskad išeinant iš poringos terpės srauto linijos būtų tokios pačios kaip prie įėjimo.

Ši problema sėkmingai išspręsta skaitmeniniais metodais. Pav. 2 pav. Parodytas norimo metamedžiagos poringumo koeficiento radialinių ir azimutinių komponentų pasiskirstymas skirtingoms Reinoldso skaičiavimo vertėms.

Pav. 2 Radialinis paskirstymas (viršuje) ir azimutas (žemyn žemyna) komponento poringumo koeficientas medžiagos viduje, kad būtų pasiektas tobulas supaprastinimas. Shell koordinates abscisas pateiktas sferinio objekto spinduliu vienetais. Poringumo koeficientas matuojamas santykiniais vienetais. Kiekvienos kreivės spalva atitinka poringumo koeficiento pasiskirstymą konkrečiam Reynoldso skaičiui (vandens srautas). Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Fiz. Rev. Lett.

Grafikose nėra sunku pastebėti, kad poringumo koeficientas yra beveik neigiamas visoje terpėje, o tai prieštarautų pirmiau išdėstytam teiginiui apie šios charakteristikos teigiamumą. Nepaisant to, gautas sprendimas neprieštarauja sveiku protui, jei mes laikome porėtą medžiagą kaip aktyvią terpę, kuri naudoja išorinę energiją, kad paspartintų arba slopintų per ją tekantį skysčių.Techninio įgyvendinimo požiūriu, porėtos terpės turėtų turėti viduje miniatiūrinius siurblius, kurie paskatintų srautą ir tiksliai kompensuotų slėgio gradientus, atsirandančius dėl skirtingo greičio porėtos srities. Verta paminėti, kad tokių mikropalių jau yra (žr. Zilin Chen ir kt., 2005, H.T.G. van Lintel ir kt., 1988), todėl autorių pasiūlymas nėra toks fantastiškas.

Dabar, remiantis apskaičiuotu poringumo koeficiento pasiskirstymu, galima parodyti, kaip skystis pereis poringu metamedžiagu (3 pav.).

Pav. 3 Rodo vandens srauto (tekėjimo linijų) struktūrą, esančią šalia ir viduje poringoje terpėje, ir greičio pasiskirstymą (skalė) dešinėje), kai Reynoldso skaičius yra mažesnis nei 0,5 (a), lygus 2,5 (b) ir lygus 4,5 (su). Balta zona – yra globojamas objektas. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Fiz. Rev. Lett.

Kaip matyti, skysčio tekėjimo linijos poringos terpės išleidžiamojoje angoje turi tokią pačią struktūrą kaip ir įleidimo angoje. Gautas srauto profilis rodo, kad labai mažoms (mažiau nei 1) Reynoldso skaičiaus vertėms kūnas nesudaro jokio atsparumo judančiam skysčiui: atsparumas beveik yra lygus nuliui (3a pav.).Tačiau, kadangi Reynoldso skaičius padidėja (iš tiesų, skysčio greitis), rezultatai nėra tokie įspūdingi. Reinoldso skaičiui 2,5, porėtos metamedžiagos sumažina atsparumo jėgą 6 kartus (lyginant su tuo, kad sfera nėra padengta poringu metamedžiagu), o Reinoldso skaičiui 4,5 šis sumažėjimas yra nedidelis 50%.

Dėl didelių Reynoldso skaičių, analizė nebuvo atlikta, nes autorių naudojamas požiūris problemai spręsti neleidžia apskaičiuoti lygtys Brinkman-Stokes su reikalaujamu tikslumu. Kai Reynoldso skaičius didėja, pasikeičia tekėjimo linijų po srauto aplink kūną charakteristika, už kūno pradeda formuotis bruožas. Taigi, iš judančio skysčio efektyvus "paslėpti" objektą galima tik Reinoldso skaičiams, kurių vertės neviršija 2,5.

Nepaisant to, mokslininkai tikisi, kad jų pasiūlyta idėja naudoti poringą terpę, mažinančią atsparumo jėgą, kai kūnas juda per skystį ir pašalina arba sumažina būdingą pėdsaką, gali rasti įvairias hidrodinamikos priemones.

Šaltinis: Jaroslavas A. Urzhumovas, David R. Smith. Skysčių srauto valdymas su transformacijos laikmenomis // Fiz. Rev. Lett. 2011. V. 107, 074501.

Jurijus Yerinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: