волна Фарадея

Рябь на поверхности жидкости внутри вибрирующего сосуда

Волны Фарадея в поющей чаше

Волны Фарадея , также известные как рябь Фарадея , названные в честь Майкла Фарадея (1791–1867), представляют собой нелинейные стоячие волны , которые возникают в жидкостях, заключенных в вибрирующий сосуд. Когда частота вибрации превышает критическое значение, плоская гидростатическая поверхность становится неустойчивой. Это известно как неустойчивость Фарадея . Фарадей впервые описал их в приложении к статье в Philosophical Transactions of the Royal Society of London в 1831 году . ^[1]^[2]

Если слой жидкости поместить на поршень, совершающий вертикальные колебания, то появится картина стоячих волн , которая колеблется на половине частоты возбуждения, учитывая определенные критерии неустойчивости . ^[3] Это относится к проблеме параметрического резонанса . Волны могут принимать форму полос, плотно упакованных шестиугольников или даже квадратов или квазипериодических узоров. Волны Фарадея обычно наблюдаются как тонкие полоски на поверхности вина в бокале, который звенит как колокол. Волны Фарадея также объясняют явление «фонтана» на поющей чаше .

Волна Фарадея и ее длина волны аналогичны волне де Бройля с длиной волны де Бройля в теории де Бройля–Бома в области квантовой механики . ^[4]

Приложение

Волны Фарадея используются в качестве шаблона на основе жидкости для направленной сборки микромасштабных материалов, включая мягкую материю , твердые тела , биологические объекты ( например , отдельные клетки, клеточные сфероиды и микроносители с клетками ). ^[5] В отличие от шаблона на основе твердого вещества, этот шаблон на основе жидкости может динамически изменяться путем настройки частоты колебаний и ускорения и генерировать разнообразные наборы симметричных и периодических узоров.

Это явление также используется аллигаторами для призыва самцов. Они вибрируют легкими на низких частотах немного ниже поверхности, заставляя свои шипы двигаться и вызывать поверхностные волны. Эти поверхностные волны в основном являются волнами Фарадея, и можно наблюдать эффект всплеска, характерный для определенных резонансов. ^[6]^[7]

Этот эффект также может быть использован для акустического смешивания двух жидкостей. Волны Фарадея образуются на границе раздела двух жидкостей, что увеличивает площадь поверхности между ними, быстро и тщательно перемешивая жидкости. ^[8]

Смотрите также

Ссылки

^ Фарадей, М. (1831) «О своеобразном классе акустических фигур; и о некоторых формах, принимаемых группой частиц на вибрирующих упругих поверхностях», Philosophical Transactions of the Royal Society (Лондон) , т. 121, стр. 299–318. «Волны Фарадея» обсуждаются в приложении к статье «О формах и состояниях, принимаемых жидкостями при контакте с вибрирующими упругими поверхностями». Вся эта статья также доступна онлайн (хотя и без иллюстраций) в «Электронной библиотеке».
^ Другие, кто исследовал «волны Фарадея», включают: (1) Людвиг Маттиссен (1868) «Akustische Versuche, die kleinsten Transversalwellen der Flüssigkeiten betreffend» (Акустические эксперименты, касающиеся мельчайших поперечных волн жидкостей), Annalen der Physik , vol. 134, стр. 107–17; (2) Людвиг Маттиссен (1870) «Über die Transversalschwingungen tönender tropfbarer und elastischer Flüssigkeiten» (О поперечных колебаниях звенящих маловязких и упругих жидкостей), Annalen der Physik , vol. 141, стр. 375–93; (3) Джон Уильям Страт (лорд Рэлей) (1883), «О хрусте жидкости, покоящейся на вибрирующей опоре», Philosophical Magazine , т. 16, стр. 50–58; (4) Томас Брук Бенджамин и Фриц Джозеф Урселл (1954), [1]"Устойчивость плоской свободной поверхности жидкости при вертикальном периодическом движении" Труды Королевского общества A , т. 225, выпуск 1163.
^ Райт, PH; Сэйлор, JR (сентябрь 2003 г.). "Формирование паттернов пленок из частиц с использованием волн Фарадея" (PDF) . Обзор научных приборов . 74 (9): 4063– 70. Bibcode :2003RScI...74.4063W. doi :10.1063/1.1602936 . Получено 4 мая 2016 г. .
^ "Джон В. М. Буш: Квантовая механика в широком смысле" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2017 г. . Получено 21 октября 2010 г. .
^ ab П. Чен, З. Луо, С. Гювен, С. Тасоглу, А. Венг, А. В. Ганесан, У. Демирчи, Advanced Materials 2014, 10.1002/adma.201402079. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201402079/abstract
↑ Powell, Devin (25 мая 2011 г.). «Похотливые самцы аллигаторов ревут, выставляя на спине шипы». Wired . Получено 4 мая 2016 г.
^ Мориарти, Питер; Холт, Р. Глинн (2011). «Волны Фарадея, создаваемые периодическими субстратами: имитация танца аллигатора в воде». Журнал Акустического общества Америки . 129 (4): 2411. Bibcode : 2011ASAJ..129.2411M. doi : 10.1121/1.3587858.
^ «Как смешивается оперативная память».

Внешние ссылки

Видео на YouTube о волнах Фарадея в кукурузном крахмале.
Видео на YouTube Ив Кудер объясняет дуализм волны и корпуса с помощью капель кремния
Видео YouTube о том, как Поющая Чаша создает Фонтан

[1] Фарадей, М. (1831) «О своеобразном классе акустических фигур; и о некоторых формах, принимаемых группой частиц на вибрирующих упругих поверхностях», Philosophical Transactions of the Royal Society (Лондон) , т. 121, стр. 299–318. «Волны Фарадея» обсуждаются в приложении к статье «О формах и состояниях, принимаемых жидкостями при контакте с вибрирующими упругими поверхностями». Вся эта статья также доступна онлайн (хотя и без иллюстраций) в «Электронной библиотеке».

[2] Другие, кто исследовал «волны Фарадея», включают: (1) Людвиг Маттиссен (1868) «Akustische Versuche, die kleinsten Transversalwellen der Flüssigkeiten betreffend» (Акустические эксперименты, касающиеся мельчайших поперечных волн жидкостей), Annalen der Physik , vol. 134, стр. 107–17; (2) Людвиг Маттиссен (1870) «Über die Transversalschwingungen tönender tropfbarer und elastischer Flüssigkeiten» (О поперечных колебаниях звенящих маловязких и упругих жидкостей), Annalen der Physik , vol. 141, стр. 375–93; (3) Джон Уильям Страт (лорд Рэлей) (1883), «О хрусте жидкости, покоящейся на вибрирующей опоре», Philosophical Magazine , т. 16, стр. 50–58; (4) Томас Брук Бенджамин и Фриц Джозеф Урселл (1954), [1]"Устойчивость плоской свободной поверхности жидкости при вертикальном периодическом движении" Труды Королевского общества A , т. 225, выпуск 1163.

[3] Райт, PH; Сэйлор, JR (сентябрь 2003 г.). "Формирование паттернов пленок из частиц с использованием волн Фарадея" (PDF) . Обзор научных приборов . 74 (9): 4063– 70. Bibcode :2003RScI...74.4063W. doi :10.1063/1.1602936 . Получено 4 мая 2016 г. .

[4] "Джон В. М. Буш: Квантовая механика в широком смысле" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 декабря 2017 г. . Получено 21 октября 2010 г. .

[:0-5] П. Чен, З. Луо, С. Гювен, С. Тасоглу, А. Венг, А. В. Ганесан, У. Демирчи, Advanced Materials 2014, 10.1002/adma.201402079. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201402079/abstract

[6] Powell, Devin (25 мая 2011 г.). «Похотливые самцы аллигаторов ревут, выставляя на спине шипы». Wired . Получено 4 мая 2016 г.

[7] Мориарти, Питер; Холт, Р. Глинн (2011). «Волны Фарадея, создаваемые периодическими субстратами: имитация танца аллигатора в воде». Журнал Акустического общества Америки . 129 (4): 2411. Bibcode : 2011ASAJ..129.2411M. doi : 10.1121/1.3587858.

[8] «Как смешивается оперативная память».