Konsep jubah halimunan boleh membantu menggerakkan cairan tanpa rintangan • Yuri Erin • Berita Sains mengenai "Unsur" • Fizik

Konsep jubah halimunan boleh membantu memindahkan cairan tanpa rintangan

Rajah. 1. Rajah peranti untuk mencapai aliran sempurna di sekitar (rintangan sifar dan tiada jejak ciri). Objek radius sferaatidak dapat ditembusi kepada cecair, ditutup dengan radius shell sepusatb dari bahan berliang. Anak panah di bawah menunjukkan arah aliran bendalir. Gambar dari artikel dibincangkan di Fiz. Wahyu Lett.

Selepas penampilan model jubah yang tidak kelihatan, didapati konsep yang mendasari peranti ini juga boleh digunakan untuk merekabentuk jenis "cloaks" yang berbeza – objek pelindung dari gelombang bunyi, gelombang pada permukaan cecair, gempa bumi (gelombang seismik) dan pengagihan haba. Dengan menggunakan konsep ini, ahli fizik teori Amerika telah mencadangkan model peranti, dengan objek yang boleh bergerak dalam cecair tanpa rintangan, tanpa meninggalkan jejak ciri di belakangnya.

Dalam fizik, keadaan ini agak biasa apabila pendekatan yang digunakan untuk penerangan matematik satu fenomena kemudiannya digunakan atau cuba digunakan untuk menyelesaikan masalah fizikal yang sama sekali berbeza. Contohnya, idea-idea yang mendasari teori mikroskopik superkonduktiviti,berjaya disesuaikan untuk menyelesaikan beberapa masalah dalam fizik zarah asas (lihat: Hadiah Nobel dalam Fizik – 2008, "Unsur", 10.10.2008).

Satu lagi contoh ialah teori superstrings, alat matematik yang mana ahli-ahli cuba untuk menggunakan untuk menggambarkan fizik keadaan terkondensasi perkara, khususnya, untuk menjelaskan superkonduktiviti suhu tinggi (lihat: Idea teori superstrings digunakan dalam fizik bahan pekat, Elemen, 8 Julai 2008).

Salah satu daripada contoh terbaru pengaruh seperti itu adalah konsep jubah yang tidak kelihatan. Jubah yang tidak kelihatan adalah peranti yang membuat objek tidak kelihatan untuk seluruh atau bagi gelombang awal elektromagnetik, tanpa mengira sudut (sudut tontonan) bahawa gelombang ini "menerangi" objek yang dilindungi.

Kesadarannya menjadi mungkin disebabkan oleh bahan-bahan anisotropik buatan (metamaterials yang disebut). Kebolehtelapan magnetik dan elektrik bagi metamaterial ini harus diagihkan di dalamnya supaya apabila gelombang elektromagnetik memasuki persekitaran sedemikian, ia akan "memintas" objek yang dilindungi dan kemudian memulihkan arah dan sifat asalnya.Akibatnya, pemerhati kasual, yang menerima radiasi elektromagnet, mempunyai kesan bahawa dalam proses penyebaran gelombang tidak menemui sebarang halangan dalam laluannya.

Pengiraan langsung pengagihan sifat-sifat elektrik dan magnet dari metamaterial yang mana jubah yang tidak kelihatan dibina adalah mencari transformasi yang mengubah sistem koordinat Cartesian menjadi sistem koordinat di mana sampul jalur radiasi menjadi garis lurus, dan kawasan yang tersembunyi dari mata prying hanya akan hilang. Hasil pencarian ini akan menjadi koefisien yang menghubungkan koordinat Cartesian lama dengan yang baru.

Kemudian, menggunakan sistem persamaan Maxwell (mereka menyifatkan sifat elektrik dan magnetik gelombang elektromagnetik yang bergerak dalam bahan), nilai-nilai yang diperlukan bagi kebolehtelapan dielektrik dan magnet bagi bahan jubah tidak kelihatan dikira berdasarkan pekali yang dijumpai. Dengan kata lain, formula yang menerangkan transformasi sistem koordinat satu (Cartesian) kepada yang lain membolehkan kami menentukan pengagihan ciri-ciri elektromagnetik metamaterial,bergerak di mana sinar akan memintas kawasan di mana objek berada.

Oleh kerana penciptaan jubah yang tidak kelihatan sebenarnya adalah masalah matematik, jelas bahawa tidak ada batasan penggunaan kaedah ini di bidang fizik lain di mana proses gelombang terlibat – contohnya bunyi atau penyebaran haba. Satu-satunya pindaan yang perlu dibuat dalam peralihan ini adalah persamaan yang sepadan, yang akan membantu untuk mentafsirkan sifat-sifat metamaterial yang diperlukan. Sebagai contoh, jika kita bercakap tentang gelombang bunyi, maka persamaan Maxwell harus ada persamaan akustik; untuk proses termal, perlu menggunakan persamaan haba, dsb.

Sesungguhnya, setahun selepas penerbitan artikel yang menggambarkan penciptaan jubah tak kelihatan bagi gelombang elektromagnet, kerja-kerja teoretikal mula muncul di mana sifat-sifat metamaterial untuk menyembunyikan objek dari gelombang bunyi dikira.

Lebih jauh lagi. Terdapat cadangan untuk menggunakan konsep jubah halimunan untuk membina metamaterial dengan kemampuan mengawal arah pemindahan haba.Di samping itu, sifat-sifat bahan meta yang telah dikira, yang boleh membantu mencegah kesan buruk gelombang seismik.

Akhir sekali, menggunakan idea-idea asas jubah itu tidak kelihatan, dalam reka bentuk amalan dilaksanakan melindungi objek daripada gelombang di permukaan cecair.

Dirangsang oleh contoh-contoh ini, ahli fizik Amerika di artikelnya mencadangkan peranti model, yang mengawal aliran bergerak cecair itu bahawa badan dalamnya terletak, mempunyai ideal diselaraskan (tidak berhak surih ciri) dan, sebagai akibatnya, mempunyai rintangan sifar semasa pergerakan dalam medium cecair.

Untuk mencapai kesan ini, ahli-ahli sains dikelilingi objek medium berliang khas (Gamb. 1). Penulis artikel itu, medium ini harus melalui cecair dengan cara ini (dan, dengan itu, mempunyai ciri-ciri tersebut) corak aliran cecair tidak berubah selepas melalui bahan berliang.

Terdapat jelas analogi dilihat dengan Jubah Halimunan. Sebaliknya bahan meta untuk jubah kelihatan – kristal fotonik dan berpecah-cincin-litar (array kecil, panjang gelombang radiasi gelombang mikro,litar resonan dengan potongan) – terdapat metamaterial – medium berliang, dan garis kuasa medan elektromagnetik, yang secara khusus diputarbelitkan oleh metamaterial supaya arah dan ketumpatan mereka sebelum dan selepas melepasi jubah yang tidak kelihatan adalah sama, digantikan dengan garisan aliran cecair. Tugas pengarang artikel itu adalah untuk mencari parameter sedimen yang berpori (metamaterial) yang akan memenuhi syarat-syarat yang dinyatakan di atas, iaitu, medium menafsirkan garis aliran dengan cara yang sama.

Untuk menyelesaikan masalah ini, para saintis bersenjata dengan sistem persamaan Brinkman-Stokes, yang menggambarkan aliran bendalir dalam media berliang. Sistem ini adalah gabungan persamaan Navier-Stokes – persamaan hidrodinamik utama – dan hukum Darcy, yang menyifatkan proses penapisan cecair melalui media berliang.

Untuk mempermudah pengiraan selanjutnya, penulis artikel itu dianggap tidak dapat dibendung kepada cecair (ia telah memutuskan untuk memilih air untuk model) objek sfera radius ayang dikelilingi oleh shell berliang telus yang sepusat dengan radius luar b = 1 mm (Rajah 1).

Satu lagi penyederhanaan merangkumi sifat aliran air, khususnya, diandaikan bahawa ia adalah laminar, iaitu, kira-kira bercakap, vorteks tidak terbentuk dalam cecair (garis aliran tidak berputar). Selain itu, nombor Reynolds (parameter tak berdimensi yang mencirikan aliran bendalir, laminar atau bergolak) dianggap sebagai kira-kira 1. Dengan kata lain, alirannya sangat tenang dan tidak memberi peralihan kepada mod bergelora (nilai kritikal nombor Reynolds di mana peralihan dari aliran laminar ke gelora , untuk apa-apa geometri adalah kira-kira 1000).

Jika bagi jubah yang tidak kelihatan, sifat-sifat metamaterial yang dikira adalah kebolehtelapan dielektrik dan magnetik, kini para saintis mengira ciri-ciri seperti medium sebagai keliangan, pekali tidak berdimensi yang nilainya berubah dari 0 (tidak terdapat liang dalam bahan) hingga 1 (bahan yang benar-benar berpori, tidak dapat dicapai realiti gambar). Dalam persamaan Brinkman-Stokes, parameter ini sebenarnya "mengawal" arah aliran bendalir melalui medium berliang, dan oleh itu ia adalah tepatnya pengagihan dalam metamaterial ini yang mesti dijumpai sepertisupaya pada keluar dari medium berliang, garisan aliran mempunyai struktur yang sama seperti di pintu masuk.

Masalah ini berjaya diselesaikan dengan kaedah berangka. Dalam ara. Rajah 2 menunjukkan pengedaran komponen radial dan azimuthal pekali porositas bahan metana yang dikehendaki untuk nilai-nilai yang berbeza dari nombor Reynolds.

Rajah. 2 Pengedaran radial (di bahagian atas) dan azimut (turun di bawaha) komponen pekali porositi di dalam bahan untuk mencapai penyederhanaan sempurna. Koordinat Shell abscissa yang diberikan dalam unit jejari objek sfera. Pekali porositi diukur dalam unit relatif. Warna setiap lengkung sepadan dengan pengedaran pekali keliangan untuk nombor Reynolds tertentu (kadar aliran air). Gambar dari artikel dibincangkan di Fiz. Wahyu Lett.

Tidak sukar untuk melihat pada graf yang menunjukkan bahawa pekali porositi hampir negatif di seluruh medium, yang, seperti mana, bertentangan dengan pernyataan yang dinyatakan di atas tentang sifat yang positif ini. Walau bagaimanapun, penyelesaian yang diperoleh tidak bertentangan dengan akal sehat, jika kita menganggap bahan berliang sebagai media aktif yang menggunakan tenaga luaran untuk mempercepat atau menghalang bendalir mengalir melaluinya.Dari sudut pandangan pelaksanaan teknikal, medium berpori harus mempunyai pam miniatur dalamnya sendiri yang akan merangsang aliran dan mengimbangi dengan cara tertentu untuk kecerunan tekanan yang timbul disebabkan oleh halaju pembezaan di kawasan berliang. Perlu diingat bahawa mikropemproses sedemikian sudah wujud (lihat Zilin Chen, et al., 2005 dan H.T.G. van Lintel, et al., 1988), jadi cadangan penulis tidak kelihatan begitu hebat.

Sekarang, berdasarkan pengagihan pekali porositi yang dihitung, adalah mungkin untuk menunjukkan bagaimana bendalir akan bergerak melalui metamaterial berliang (Rajah 3).

Rajah. 3 Struktur aliran air (aliran) dekat dan dalam medium berliang dan pengedaran halaju (skala ditunjukkan di sebelah kanan) untuk nombor Reynolds kurang daripada 0.5 (a), bersamaan dengan 2.5 (b) dan sama dengan 4.5 (dengan). Kawasan putih – adalah objek terlindung. Gambar dari artikel dibincangkan di Fiz. Wahyu Lett.

Seperti yang dapat dilihat, garis aliran bendalir di outlet media berliang mempunyai struktur yang sama seperti pada salur masuk. Profil aliran yang dihasilkan menunjukkan bahawa bagi nilai Reynolds yang sangat kecil (kurang daripada 1) badan tidak memberikan sebarang daya tahan terhadap cecair yang bergerak: rintangan hampir nol (Rajah 3a).Walau bagaimanapun, apabila bilangan Reynolds meningkat (sebenarnya, halaju cecair), hasilnya tidak begitu mengagumkan. Bagi bilangan Reynolds sebanyak 2.5, metamaterial porous menurunkan daya rintangan sebanyak 6 kali (berbanding apabila sfera tidak dilindungi oleh metamaterial poros), dan bagi bilangan Reynolds sebanyak 4.5 penurunan ini adalah 50% sederhana.

Untuk nilai-nilai besar nombor Reynolds, analisis tidak dilakukan, kerana pendekatan yang digunakan oleh penulis untuk menyelesaikan masalah tidak membenarkan pengiraan persamaan Brinkman-Stokes dengan ketepatan yang diperlukan. Apabila bilangan Reynolds meningkat, watak aliran aliran selepas aliran di sekitar tubuh berubah, jejak ciri mula terbentuk di belakang badan. Oleh itu, adalah mungkin untuk "menyembunyikan" objek secara berkesan daripada cecair bergerak hanya untuk nombor Reynolds, nilai yang tidak melebihi 2.5.

Walau bagaimanapun, saintis berharap bahawa idea yang dicadangkan oleh mereka menggunakan medium berliang untuk mengurangkan daya rintangan apabila tubuh bergerak melalui cecair dan untuk menghapuskan atau mengurangkan jejak ciri dapat mencari pelbagai aplikasi dalam hidrodinamika.

Sumber: Yaroslav A. Urzhumov, David R. Smith. Kawalan Aliran Fluida dengan Media Transformasi // Fiz. Wahyu Lett. 2011. V. 107, 074501.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: