Látszólag fittyet hány a folyadékdinamika törvényeire egy pici szerkezet

A gyöngyökből álló úszó struktúra időben szimmetrikusan mozog, mégis halad előre.

Látszólag fittyet hány a folyadékdinamika törvényeire egy pici szerkezet

Az úszás időben aszimmetrikus a legtöbb fajnál, mivel így lehet hatékonyan haladni. Képzeljünk el, mi történne, ha Michael Phelps ugyanolyan erőt fejtene ki tempók minden szakasza során, beleértve a karok előrevitelét is, ilyen körülmények között sokkal lassabban haladna előre, hiszen fékezné magát. Ugyanez a helyzet az úszó kagylóval, amely úgy halad előre, hogy a héjakat bezárva vizet présel ki magából. Ha a nyitást is ugyanilyen sebességgel végezné, rögtön vissza is kerülne a kiindulóhelyre a visszaáramló víz hatására. Ezt állítja legalábbis a négy évtizedes kagylótétel, amely szerint az az úszó, amelyik időben szimmetrikus mozgást végez, egy helyben fog maradni.

A tétel a gyakorlatban persze csak akkor működik tökéletesen, ha a mozgás olyan sűrű folyadékban zajlik, amelyben az úszó keltette áramlatok rögtön elhalnak, ha az adott irányú mozgás megszűnt. Vízben haladva egy megfelelően erős kagyló képes olyan áramlatokat kelteni, amelyek mögé kanyarodnak, és időben szimmetrikus mozgás esetén is előre tolják. Mikroszkopikus méretekben viszont a víz is másként viselkedik: a benne haladó aprócska élőlények számára olyan, mint a sűrű beton, amelyben minden áramlat gyorsan elhal. Ezért van az, hogy a baktériumok nagy része időben kifejezetten aszimmetrikus mozgások révén úszik, például egy dugóhúzóra emlékeztető ostort pörget maga mögött.

Egy fizikuscsoport ugyanakkor nemrégiben létrehozott egy apró mechanikus szerkezetet, amely időben szimmetrikus mozdulatokkal is képes előre haladni, ellentmondva a kagylótételnek. Az eredmény új kutatási irányvonalakat nyithat meg a folyadékdinamikában, amelyek a gyakorlati alkalmazása például apró úszó robotok vagy gyógyszert célba juttató szerkezetek formájában realizálódhat.

Galéria megnyitása

A fizikusok évek óta próbálkoznak a lehető legegyszerűbb úszó szerkezetek megtervezésével. 2008-ban Ramin Golestanian, a Max Planck Intézet kutatója és kollégái három egyforma gyöngyből hoztak létre egy ilyen struktúrát, V alakban rugókkal kötve össze ezeket. A rendszer a külső gyöngyük enyhén aszimmetrikus oszcillációjával képes úszni, vagyis ez a mozgás időben is aszimmetrikus.

Maxime Hubert, a Friedrich Alexander Egyetem kutatója és társai azonban most egy még egyszerűbb szerkezettel álltak elő, amely időszimmetrikusan mozog, mégis képes haladni. A szerkezet két gyöngyből áll, amelyeket egy rugó köt össze, utóbbi megnyúlik, majd elernyed. A kagylótétel alapján ilyen mozgással egy helyben maradna az úszó, de az mégis képes haladni. A dolog titka abban rejlik, hogy a gyöngyök mérete eltér: amikor a rugó megnyúlik, a kisebbik gyöngy gyorsabban mozdul, de aztán gyorsabban is lassul le és áll meg a folyadékban, így úgy viselkedik, mint egy horgony, amely kisebb ugrásokkal egyre előrébb kerül, és maga után vonszolja a nagyobbik gyöngyöt, mondja Hubert.

A szakértők először számítógépes szimulációkban próbálták ki az ötlet működőképességét, majd kísérletileg is igazolták, hogy az újfajta rendszerre nem egészen teljesül a kagylótétel. Ehhez néhány száz mikrométeres acélgyöngyöket helyeztek a víz felszínére mágneses mezőben. Utóbbi miatt a gyöngyök taszították egymást, vagyis a mágneses erők úgy viselkedtek, mint hogyha rugó kötné össze gyöngyöket. A mágneses mező ciklikus, szimmetrikus módosítása révén sikerült a párost haladásra bírni: a két gyöngy ciklusonként a kisebbik gyöngy átmérőjének nagyjából ezredrészével haladt előre, ahogy ezen a videón látható..

Ahogy Golestanian leszögezi, mindez nem jelenti azt, hogy a kagylótétel ne lenne igaz. A gyöngyök mozgása egymáshoz képest az időben szimmetrikus ugyan, de a vízhez képest nem, ha egyszer mozogni kezdtek, hiszen minden ciklus a kisebbik gyöngy meglódulásával kezdődik, még mielőtt a nagyobbik megmozdulna. A jelenség azonban ennek ellenére is érdekes, és izgalmas lesz látni, hogyan lehet a mozgást még hatékonyabbá tenni a gyöngyök méretének megváltoztatása és más tényezők manipulálása révén.

Neked ajánljuk

Kiemelt
Csak gépösszerakó
{{ voucherAdditionalProduct.originalPrice|formatPrice }} Ft
Ajándékutalvány
-{{ product.discountDiff|formatPriceWithCode }}
{{ discountPercent(product) }}
Új
Teszteltük
{{ product.commentCount }}
{{ product.displayName }}
csak b2b
{{ product.grossPrice|formatPriceWithCode }}
nem elérhető
{{ product.originalPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.grossPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.grossPrice|formatPriceWithCode }}
{{ product.displayName }}

Tesztek

{{ i }}
{{ totalTranslation }}
Sorrend

Szólj hozzá!

A komment írásához előbb jelentkezz be!
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mondd el, mit gondolsz a cikkről.

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap