Несколько месяцев назад стали известны результаты эксперимента, проведенного группой ученых из разных университетских учреждений Франции. Эти результаты связаны с передачей водных волн и понятием «идеального поглощения», или его производным «идеального когерентного поглощения». Идеальное поглощение в научном контексте означает способность материала поглощать все падающее на него излучение (волны также являются формой излучения) на определенной частоте или диапазоне частот. Например, идеальный звукопоглощающий материал в идеале должен поглощать 100% попадающего на него звука, то есть он не будет ни отражать, ни передавать какую-либо часть этой конкретной частоты или диапазона частот.

С другой стороны, идеальное когерентное поглощение идет дальше: оно обходится без посредничества этого воображаемого материала и позволяет управлять волнами посредством прямого взаимодействия с другими волнами, будь то волны света с волнами света, волны воды с волнами воды или волны звука с волнами звука и т. д. На самом деле это теоретическая концепция в области физики, подразумевающая возможность управления волнами посредством прямого взаимодействия с когерентными волнами, то есть волнами, фазы которых равны.

Как объяснил журналу Physics Magazine Агнес Морель, физик-математик из парижской École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles (ESPCI) и член исследовательской группы, мотивацией его исследования была «необходимость контролировать или поглощать волны в реках или защищать побережья». Далее он отметил, что «полное поглощение энергии волн даже лучше, чем ее перенаправление», добавив, что мы могли бы пойти дальше и представить себе возможность «сбора этой энергии». В любом случае, это исследование привлекло наше внимание как компании, занимающейся проектированием и строительством аквапарков, в которых контроль волн в воде, например, в волновых бассейнах, является решающим фактором. Давайте посмотрим, в чем состоит это исследование.

Используя математические расчеты, Морел и команда исследователей продемонстрировали, что идеальное поглощение волн в воде может быть достигнуто путем разработки определенного типа «резонансной конструкции». Первоначально конструкция представляла собой водный канал с двумя полостями. Их предварительные расчеты, в которых рассматривалась идеальная жидкость без потерь энергии из-за трения, продемонстрировали, что эти две небольшие полости будут действовать как резонансные камеры с эффектом идеального когерентного поглощения волн. Эти расчеты проводились для водного канала длиной 1,4 м, шириной 6 см и глубиной 5 см, при этом обе полости были одинаковыми по размерам, с длиной перпендикулярно стенке канала 4 см и шириной вдоль нее 3 см. При таких параметрах операции прогнозировали нулевую передачу волн в диапазоне частот от 2,7 до 3,3 Гц.

При проверке своих прогнозов в лаборатории группа исследователей обнаружила два снижения кривой передачи реальных волн воды в зависимости от их частоты: первое из этих уменьшений почти достигло нуля, а второе достигло уменьшения энергии примерно на 40%. Эти расхождения с теоретическими расчетами, по мнению ученых, отражали потери на трение в жидкости, помимо того, что это был приблизительный расчет.

Наконец, методом проб и ошибок Морель и его коллеги обнаружили, что при асимметрии двух полостей, в той степени, в которой одна выступает дальше от стенки канала, чем другая, идеальное поглощение достигается на частоте 2,9 Гц, то есть передача и отражение равно нулю для этой частоты. Резонансная конструкция теперь гарантировала взаимодействие между приходящими и отраженными волнами, приводящее к их идеальному подавлению. Таким образом, как мы читаем в исследовании, «контроль распространения направленных волн на воде демонстрируется экспериментально, численно и теоретически (…)». В качестве дополнения к своему открытию исследователи отмечают, что его можно использовать для разработки практической системы, защищающей береговые линии от эрозии.

Ниже мы приводим авторов исследования: Лео-Поль Эве из лаборатории Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes из ESPCI; Ким Фам из Nationale Supérieure de Techniques Avancées; Филипп Петижан из ESPCI; Винсент Панье из Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine, в сотрудничестве с Centre National de la Recherche Scientifique; и Агнес Морель из Langevin Institute ESPCI.

Физики и математики среди вас при желании могут получить полный документ исследования здесь: ResearchGate.

Источники: Physics Magazine, Physical Review Letters, Wikipedia. Изображения: Physical Review Letters.

другие новости

Подписка

Подпишитесь на нашу ежемесячную сводку новостей:

Подписка

Подпишитесь на нашу ежемесячную сводку новостей: