Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kapky tekutiny nebo objekty z měkké pevné látky je podle francouzských fyziků možné katapultovat dvakrát rychleji než tuhé projektily.
Tento „super pohon“ je důsledkem přidané hybnosti, která pochází z deformací v podobě natahování a smršťování. Nový objev slibuje praktické aplikace v mnoha oborech od balistiky až po bioinženýrství.
Jev vyžaduje superhydrofobní povrchy, které se velmi těžko smáčí. Fyzici už dříve přišli na to, že kapky tekutiny se mohou od takových povrchů odrážet jako elastické míčky. Francouzští vědci teď ukázali, že tyto povrchy mohou být použity jako velmi efektivní katapulty.
Katapultem je v tomto případě tenká svislá pružina, jejíž jeden konec je zakotven do země a na druhý je připevněna kovová destička. Když se pružina stlačí a drží se v klidu například elektromagnetem, po následném uvolnění vykonává tlumený harmonický pohyb. Zvedání a klesání probíhalo v tomto experimentu sice jen v rozmezí několika milimetrů, zrychlení však bylo až desetkrát větší, než je zemská gravitace.
Pokud by fyzici na desku jednoduše umístili malý pevný objekt, výsledek by byl jasný. Objekt by byl tlačen směrem vzhůru tak dlouho, dokud by deska nedosáhla maximální rychlosti a nezačala zpomalovat. K tomu dojde v polovině fáze natahování pružiny. V tomto bodě by byl objekt katapultován a pokračoval by v pohybu vzhůru rychlostí, která je rovna maximální rychlosti destičky.
Francouzský tým však destičku pokryl superhydrofobním polymerem, na který poté umístil kapky vody. Vertikální zrychlení roztahuje kapku do stran a stlačuje ji ve vertikálním směru. To zpomaluje těžiště objektu vzhledem k desce a zdánlivě oddaluje okamžik katapultování kapky. Roztahování kapky v horizontálním směru však nepokračuje donekonečna. V určitém bodě se kapka vlivem povrchového napětí vrátí do původního sférického tvaru, předtím však dojde k natažení podél vertikální osy. Toto vertikální protažení přidává kapce vertikální rychlost, což znamená, že kapka je katapultována větší rychlostí.
Francouzští fyzici experimentovali s pružinami různé tuhosti i s objekty různé velikosti. Tyto parametry totiž ovlivňují vlastní rezonanční frekvenci pohybu katapultu nahoru a dolů i frekvenci stlačování a roztahování kapek. Výsledkem experimentů bylo zjištění, že kapky mají největší zrychlení, pokud jejich vlastní rezonanční frekvence je přibližně třikrát vyšší než vlastní rezonance pružiny. Rychlost katapultování a kinetická energie jsou pak 1,5 až 2,5krát vyšší než u tuhého náboje.
V dalších experimentech byly kapky nahrazeny elastickými kuličkami vyrobenými z polymeru absorbujícího vodu a testy měly přibližně stejné výsledky. Kinetická energie vzrostla přibližně o 250 % při poměru rezonančních frekvencí kolem tří. Podle fyziků testy jasně prokázaly, že jev má obecnou platnost.
Deformaci projektilu by podle vědců bylo možné modelovat použitím jednoduchých vlnových rovnic odvozených z Hookeova zákona. Přestože to není možné analyticky, fyzici tak učinili numericky uvažováním tří základních hraničních podmínek. Potom vypočítali okamžik katapultování a přírůstek kinetické energie pro různé poměry frekvencí. Vyšla jim hodnota 3,4, která je blízká hodnotě naměřené experimentálně.
Zjištěný poměr vlastních rezonančních frekvencí umožňuje, aby byl projektil katapultován vzhůru s podstatným příspěvkem hybnosti jak z těžiště katapultu, tak ze samotného objektu. Pokud je poměr frekvencí příliš malý, objekt se začne normálně pohybovat vzhůru, jakmile deska začne zpomalovat. Když je poměr příliš velký, jinými slovy když se objekt blíží tuhému stavu, vlastní oscilace kuličky jsou nevýznamné.
Řada fyziků, včetně amerických, je novou prací nadšena. Jev podle nich může najít řadu praktických aplikací. Jednou z nich je třídění malých objektů podle velikosti nebo elasticity – specifická frekvence oscilací pružiny bude zvyšovat jejich rychlost v každém případě jinak. Jinou možností by mohlo být transportování kapek ve třírozměrném systému „lab-on-a-chip“. Podle některých by francouzská práce mohla přinést vylepšení také do oblasti vojenství a například urychlit starty letadel.
Původní práce byla uveřejněna ve Physical Review Letters.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz.
