Физики смоделировали «задачу трёх тел» с помощью акустической левитации

Американские физики реализовали классическую задачу о движении трёх тел на установке акустической левитации и показали невзаимную природу взаимодействий между микрочастицами из‑за роли воздуха как посредника. Эксперимент и численное моделирование подтвердили, что движение маленьких сфер в ультразвуковом поле можно описать с хорошей точностью. Результаты опубликованы в Physical Review E.

В работе использовали источник ультразвука на пьезоэлементе с алюминиевым рупором-усилителем, резонирующим около 35 килогерц. В качестве частиц взяли полистироловые сферы диаметром 41 микрометр, которые вводили в зону левитации хирургическим зондом. Процессы регистрировали высокоскоростной камерой со скоростью 6000 кадров в секунду.

Сначала три частицы располагали вершинами равностороннего треугольника. Затем параметрической накачкой возбуждали внутренние колебания системы, что создавало несбалансированные силы и приводило к перемещению всей структуры. Наиболее заметный сдвиг возникал, когда две частицы сближались. Их сводили к столкновению, образуя димер. Совместно с третьей сферой он двигался по «бабочкообразной» траектории, что указывало на невзаимность взаимодействий.

Авторы объяснили невзаимность влиянием вязкой газовой среды: локальные давление и плотность воздуха зависят от координат и скоростей частиц, поэтому силы оказываются многочастичными и асимметричными. Для проверки применили метод конечных элементов, учтя силы рассеяния звука и акустически индуцированные микропотоки. Полученная модель воспроизвела наблюдения и позволила распространить выводы на другие режимы, включая циклическое движение вокруг неподвижного центра масс. По итогам исследователи отмечают потенциал звуковой левитации как платформы для самоорганизующихся систем.

Обратите внимание: Грибники в России позволяют себе покупать целые автомобили благодаря этому редкому грибу