Die richtigen Schwingungen macht Partikel brechen in einem Kreistanz

Die Chancen stehen, dass Sie die wunderschöne Muster gesehen, die Schallwellen zu produzieren, wenn Sand auf einer vibrierenden Metallplatte bestreut ist. Jetzt haben die französischen Physiker inverse Versionen dieser Muster mit Microbeads in einer Flüssigkeit suspendiert produziert. Sie beschrieb ihre Arbeit in einem jüngst veröffentlichten Papier in Physical Review Letters.

Chladni-Figuren, werden die ursprünglichen Muster genannt, nach dem Ende des 18. Jahrhunderts Akustik Ernst Chladni Pionier. Inspiriert durch Robert Hooke Experimente mehr als ein Jahrhundert früher, Chladni Sand über eine solide Metallplatte besprüht und lief dann ein Geigenbogen entlang der Kante zu vibrieren. Wie von Zauberhand, neu geordnet die Sandkörner in Muster, verschiedene Frequenzen entsprechen. Aber es ist eigentlich durch einige komplizierte (und interessante) Physik, erklärt Diana Cowern, alias das Physik-Mädchen, mit ihren eigenen DIY-Demonstration:

Jedes materielle Objekt hat einen natürlichen Resonanzfrequenz (oder Satz von Frequenzen) bei denen es vibriert, und die Metallplatte ist keine Ausnahme. Wir können sie nicht sehen, aber die Platte vibriert nur in bestimmten Regionen, Aufrechnung durch Linien, wo es überhaupt vibrieren wird nicht (so genannte Schwingungsknoten-Linien). Gesetzt, dass die Platte an einem dieser resonanten Frequenzen vibrieren und Sand weggedrückt schwingenden Regionen und Cluster entlang der Schwingungsknoten-Linien. Wie verschiebt sich die Frequenz, also tun die Standorte der Schwingungen Knoten. Deshalb erhalten Sie verschiedene Chladni-Figuren für unterschiedliche Frequenzen.

Chladni Technik wurde bald ein wichtiges Instrument für Geigenbauer, da die resultierende Muster lassen Sie sie nur, wo diese alle wichtigen Verkehrsträger Vibrationen in die Rückenplatten der Instrumente fiel zu visualisieren. Es dient noch heute durch Instrumentenbauer – und als eine beliebte Demonstration zum Physikunterricht.

Physiker an der Universität Grenoble-Alpes in Frankreich neu Chladnis zukunftsträchtige Experiment, nur sie verwendet Polystyrol Microbeads in Wasser anstelle von Sand ausgesetzt. Und anstatt eine Metallplatte, sie eine dünne Membran Polysilizium über eine kreisrunde Öffnung (ähnlich wie die Haut einer Trommel) an der Basis eines standard "Schoß-on-a-Chip" mikrofluidischen Geräts, Injektion der Microbeads in Wasser gestreckt. Wie die Trommel vibrierte, erfasst eine Kamera angeschlossen an ein Mikroskop die wechselnden Positionen der Perlen bei verschiedenen Frequenzen.

Bei höheren Frequenzen ist nichts passiert. Die Perlen nicht bewegen, und kein Muster entstanden, weil die Membran war so klein und dünn, dass höhere Frequenzen nicht nur mitschwingen. Das änderte sich, wenn die Frequenzen in den niedrigen Ultraschall-Bereich verschoben. Dann begann die Perlen clustering zu Mustern. Die Forscher fanden heraus, dass sie das Muster fast sofort, nur durch Änderung der Frequenz wechseln könnte.

Verschieben Sie diese Schwingungen nur ein wenig die Resonanzfrequenz und die Microbeads beginnen, einen traditionellen französischen Volkstanz im Kreis, in einer Bewegung erinnert an die Farandole zu drehen:

Diese sind jedoch nicht die gleichen Muster als Chladni-Figuren. Chladni aufgefallen, dass sehr feine Partikel, wie Schuppen von seinen Bogen, nicht auf die Knoten wie die gröbere Sandkörner geschoben zu bekommen. Sie zogen in die entgegengesetzte Richtung, versammelt an der sogenannten "Bauch." Das Phänomen ist bekannt als akustische streaming und wie Derek Stein am APS-Physik schreibt, es ist "die Umkehrung des Prozesses durch den Luftstrom Schwingungen in ein Musikinstrument erzeugt."

Das macht diese Technik möglicherweise nützlich für eine Vielzahl von Anwendungen. Schallwellen sind bereits zum Mischen und Pumpen von Flüssigkeiten in Mikrofluidik Geräte verwendet. Wissenschaftler können sie auch zu manipulieren lebende Zellen auf einer Oberfläche bekommen sie Formular-Clustern und beeinflussen, wie sie sich entwickeln einfach durch Ändern der Frequenz der Schallwellen. Rechts sind sie nun, auf vorgefertigte Muster angewiesen, von die viele Reinraum-Bedingungen erfordern, und können nicht schnell und einfach geändert werden.