Titokzatos alakú vízcseppek

Richard Hill és Laurence Eaves a Nottingham-i Egyetemen diamágneses tulajdonságú vízcseppeket helyeztek szupravezető mágnesekkel létrehozott antigravitációs térbe. A függőleges irányban ható mágneses mező taszító hatására a cseppeket sikerült folyamatos lebegésben tartani. Majd két vékony aranydróthoz érintve - melyek között a feszültség változtatható volt - forgómozgásba hozzák őket. A vízcseppen keresztülfolyó elektromos áram a Lorentz-erő hatására forgatónyomatékot fejtett ki a cseppekre, melyek így az egyik drót körül kezdtek forogni. A feszültség változtatásával a rotáció szögsebességét lehetett állítani.

A mágneses térben lebegő vízcsepp és a rá ható erők sematikus ábrája
(Forrás: Hill, Eaves)

A tudósok egyre nagyobb sebességgel forgatva a cseppeket, figyelték meg alakjukat. Az eleinte gömb alakú cseppek a várakozásoknak megfelelően a sebesség hatására laposabb formát öltöttek. Majd ez után érdekes módon a csepp az egyenlítősíkjában deformálódott oly módon, hogy az egy kapszulára hasonlított, egyenlítője pedig ellipszis alakot öltött. Különös, hogy az ellipszis egyhelyben maradt, annak ellenére, hogy a folyadék a cseppen belül szemmel láthatóan is mozgott! A kutatók szerint a csepp körül egy periodikusan keringő hullám alakult ki, melynek két csúcsa volt és olyan gyorsan ért körbe az egyenlítővonal mentén, hogy hatását észre sem lehetett venni. Ahogy a cseppet egyre gyorsabban forgatták úgy vált láthatóvá a hullám: a sebesség növelésével az elliptikus körvonal is forgómozgásba lendült.

Különböző szögsebességeknél kialakuló vízcseppformák.
(Forrás: Hill, Eaves)

Ezután hirtelen egyenlőszárú háromszögre emlékeztető alakot vett fel a csepp körvonala mely, - ahogy az előző, kapszulaformájú állapot elején- most is egyhelyben maradt. A sebesség növelésével aztán ez is elkezdett pörögni.

 A furcsa az, hogy  az eddigi elméleteknek ez a jelenség kissé ellentmond. A háromszögformáról eddig azt hitték, túl instabil ahhoz, hogy tartós legyen. A kapszulaformát öltő cseppben a folyadéknak pedig középről kissé ki kellene sodródniuk, hogy egy földimogyorószerű alakzat jöjjön létre. A háromszögforma megmaradásáért a kutatók az excentrikus aranydrótokat tették felelőssé, melyek felületi hullámokat gerjesztettek a csepp felszínén.

Hill és Eaves végeztek egy második kísérlet is, amely során  a szögsebességet úgy emelték lépésről lépésre, hogy lehetőleg minél több cseppforma jöhessen létre. A háromszög mellet négy és ötszögformát is észleltek, mielőtt a vízcsepp földimogyoró alakot vett volna fel. Ezt még soha senkinek nem sikerült megfigyelnie. A forgómozgású áramlások klasszikus elmélete csak azt képes leírni, hogy mely körülmények között jöhet létre egy-egy cseppalak. A négy illetve ötszög alakra semmiféle magyarázatot nem nyújt. A további kísérletek így fontos támpontot nyújthatnak a jelenség tisztásásához.

A forgó mozgású csepp, melyet felületi feszültség tart össze, olyan tengely körül mozgó objektumok kicsinyített másának is tekinthető, amelyekben a vizsgált anyagot a kohéziós erő tartja egyben. Például a csepp felvett alakjai, utalhatnak a gyorsan a tengelyük körül forgó atommagok által öltött formákra, vagy naprendszerünkben a Kuiper-övben keringő, tengelyük körül forgó testekre. Még a fekete lyukak előfordulási felülete is a forgó folyadékok sajátos mozgására hasonlítanak a kutatók szerint. A cseppek vizsgálatát a kutatók folytatják.

Forrás: www.pro-physik.de

A kísérlet részletes, tudományos leírása:               

www.nottingham.ac.uk/~ppzlev/Droplet/Hill_Eaves_Droplet_supplementary.pdf http://physics.aps.org/pdf/10.1103/PhysRevLett.101.234501.pdf

Ivicsics Miklós