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研究人员发现了经典的克拉尼模式的反例

时间:2022-12-03 12:46:40 | 浏览:1492

1787年,“声学之父”Ernst Chladni做过一个实验,他在一个小提琴上安放一块较宽的金属薄片,在上面均匀地撒上沙子。然后开始用琴弓拉小提琴,结果这些细沙自动排列成不同的美丽图案,并随着琴弦拉出的曲调不同和频率的不断增加,图案也不断

1787年,“声学之父”Ernst Chladni做过一个实验,他在一个小提琴上安放一块较宽的金属薄片,在上面均匀地撒上沙子。然后开始用琴弓拉小提琴,结果这些细沙自动排列成不同的美丽图案,并随着琴弦拉出的曲调不同和频率的不断增加,图案也不断变幻和越趋复杂——这就是著名的克拉尼Chladni图形。核心模式是较重的颗粒远离彼此,较轻的颗粒接近彼此。

最新研究或许颠覆了固有的观点——这些观点已经存在了200多年。此外,还可能开辟了工业和医药制造业中操纵微粒的新技术。

芬兰阿尔托大学的科学家发现,如果在水下进行克拉尼板实验时,较重的颗粒会趋近运动幅度最大的位置——被称为波腹。他们为此发明了一个术语来描述该现象——“逆克拉尼模式”。

“这是令人惊讶的结果,与普遍的观念相矛盾。”研究人员Quan Zhou说。

在实验中,Zhou和同事把直径小于1毫米的玻璃珠铺在压电换能器的浸没硅板上。然后以各种频率振动硅板,在水面上制造出波浪。

那么为什么效果与预期相反呢?

19世纪早期,迈克尔·法拉第为克拉尼图案给出了解释,认为重粒子会移动到节点线,即振动最小的点,此时同样的力将无法再使它们随着薄板振动。

新实验背后的研究人员认为,水中的波浪、重力压力和流体阻力会阻碍颗粒的跳跃。团队甚至利用他们的理论开发出了一套计算机算法,可以调整薄板振动的频率,以控制玻璃珠的移动方向——实际效果就是绘制出颗粒的实时路线。

“我们几乎可以在任何频率下移动颗粒,而且无需依赖板块的共振频率,”Zhou说,“这为我们提供了更多的控制自由度。”

例如,研究人员成功地将单个颗粒引导通过迷宫,并可以仅仅通过播放声音来合并和分离一堆颗粒。

如果该技术可以将应用到更小的对象上,那么就可以生物和医学工业中的很多领域里大显身手——将微小物体(甚至是活细胞)靶向目标。

“药物研究和微系统组装的许多流程都需精细地移动和操纵小颗粒,只使用一台执行器就可以完成所有这些不同的操作,我们正在开辟新的微粒处理技术之路。此外,该方法可以促动未来的微型工厂系统——建立在一小块微硅板上的工厂。”

该研究发表在Physical Review Letters上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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