В большинстве случаев, волны движутся назад так же легко, как они создаются. Но команда исследователей, сообщила в Декабрьском Физическом Обзоре E, что построила первую механическую среду, когда волны движутся только в одну сторону. Их хитрое изобретение Rube-Goldberg-like содержит множество рычагов, соединенных реактивными струями воды. Она демонстрирует, что в односторонней среде, волны могут двигаться непрерывно без внешней движущей силы, тогда как другие модели, основанные только на компьютерном моделировании и электронных схемах, это не демонстрируют. Установка, также показывает и другие виды необычного поведения волны, не предсказанных в моделях и может служить лабораторией, чтобы изучить волны, в так называемых анизотропных средах, - которые являются важными в геологии, оптике и материаловедении.
Представьте, вереницу жемчуга, Вы можете начать волну, шевеля первым жемчугом или последним; волны могут путешествовать по любому пути, потому что каждый жемчуг соединен одинаково с обеими соседями. Но исследователи в последнее время заинтересовались "однонаправленным" сцеплением, по которому сила между соседями позволяет волнам перемещаться только в одном направлении. Например, в анизотропных средах, скорость волны зависит от направления. Компьютерные модели показали, как волны движутся однонаправленно, и затем исследователи строили электронные модели, которые показывали однонаправленное движение [1]. Но эти модели имели только три "жемчуга", что слишком мало, чтобы предсказать все эффекты распространения волны.
Джон Линднер Колледжа Вустер в Штате Огайо, Барбара Брин Университета Портленда в Штате Орегон, и их коллеги, построили механическое устройство, которое могло продемонстрировать односторонние волны. Провод, несколько специальных деталей, соединенных со деталями от игрушечного конструктора, струйный аппарат - стоимостью несколько сотен долларов - являются линейным множеством рычагов, которые дают усилие то одной стороне,то другой стороне внутренней части корыта. Каждый рычаг, соединен с лопастью, в который вода ударяет, стекая вниз от вертикального брандспойта. Рычаги соединенные с лопастью выполнены так,что какому бы пути вода не направлялась, брандспойт управляет предыдущим рычагом множества. Механическая связь заставляет, каждый брандспойт перемещаться в направлении, против его рычага управления. Если, например, первый рычаг будет наклонен направо, то его брандспойт будет перемещен налево, который выдвинет второй рычаг налево (если его еще там не было). Третий рычаг будет тогда выдвинут направо, и так далее. Это делает систему циклической, ряд механизмов и оси позволяют последнему рычагу управлять брандспойтом, который уменьшает количество воды, подающееся на лопасти первого рычага.
Если бы рычаги были соединены двухсторонней связью (скажем, пружинами между собой), то система быстро пришла бы в статическое равновесие, но с односторонним сцеплением, рычагами можно, или никогда не достигнуть равновесия или достичь его только после долгого времени. Когда исследователи использовали нечетное число рычагов (15), то для системы стало невозможным стабилизироваться в переменном левостороннем равновесии. Вместо этого волна спонтанно поехала через "разбитую" систему. Движущая сила, для колебания одного конца вереницы жемчуга не была необходима, чтобы вызвать это непрерывное движение.
С четным числом рычагов, помещенных первоначально в случайные положения, две волны сформировали и преследовали друг друга вокруг множества, в конечном счете "уничтожая", когда один догнал другой и оставил систему неподвижной. Хотя эти явления волны ожидались, никто не демонстрировал их в механической системе прежде, и это позволило команде проверять и улучшать множество количественных прогнозов модели.
Работа - "классический пример изящного эксперимента, соединяемого, чтобы демонстрировать новую идею и предсказывать поведение, которое может теперь далее исследоваться в соответствии с теорией," говорит Ади Балсара Космического и Военно-морского Центра Военных Систем в Сан-Диего. Одностороннее сцепление может помочь исследователям понять распространение волны в анизотропных средах, типа двоякопреломляющих кристаллов, в которых скорость света зависит от ее поляризации, говорит Брин. Команда теперь развивает двумерное множество с однонаправленным сцеплением и исследует переход от изотропической к анизотропной среде.
Майкл Ширбер
внештатный автор науки в Лионе
|
