ARGOMENTO DI STUDIO
Una visione fisica quantistica dei cristalli del tempo: il cuscinetto d'aria OAV utilizzato per stabilizzareElettrodinamico Risonanze di Shaker per esperimenti sulla fisica del non equilibrio delle goccioline
L'Optical Sciences Centre presso la Swinburne University of Technology di Melbourne, in Australia, mirava a comprendere meglio il comportamento delle goccioline liquide che rimbalzano sul survolto di un bagno fluido attraverso una lente fisica quantistica. Quando le goccioline sono soggette a forzature periodiche, possono iniziare a "camminare" sulla superficie del fluido, arrisultato di ogni impatto della gocciolina con la superficie del fluido innescando un'onda capillare,e the successivi gradienti nella superficie del fluido che guidano il movimento planare delle goccioline. Il team ha caratterizzato queste goccioline come "droplet time crystals" (DTC), che sono sistemi azionati periodicamente che mostrano una risposta oscillatoria persistente con un multiplo intero del periodo di guida. I componenti principali dell'esperimento includonoD l'agitatore elettrodinamico, il cuscinetto ad aria OAV [OAVBX5050], il bagno fluido, la stampante a goccioline e il sistema di imaging ottico utilizzato per osservare ed elaborare le informazioni dagli esperimenti.
Utilizzando un tavolo ottico personalizzato che poggiava su gambe di isolamento passivo delle vibrazioni per l'eliminazione del rumore esterno, la forza motrice è stata fornita da uno shaker elettrodinamico imbullonato su una struttura a torta a strati, che poggiava sui supporti della macchina. L'agitatore è stato collegato al cuscinetto ad aria OAV tramite un'asta di trasmissione e il cuscinetto ad aria è stato montato su una piastra di alluminio sopra il tavolo ottico, collegato a un'alimentazione di aria compressa ad alta purezza. Il bagno di fluido è stato livellato e l'assieme del cuscinetto d'aria è stato bloccato in posizione prima che la barra di scorrimento del cuscinetto d'aria fosse collegata all'asta di azionamento. L'assemblaggio del progetto può essere visto nel grafico sottostante.
The Optical Sciences Centre at the Swinburne University of Technology in Melbourne, Australia aimed to better understand the behavior of liquid droplets bouncing on the surface of a fluid bath through a quantum physical lens. When droplets are subject to periodic forcing, they may begin to "walk" on the surface of the fluid, a result of each impact of the droplet with the fluid surface triggering a capillary wave, and the subsequent gradients in the fluid surface driving the planar motion of the droplets. The team characterized these droplets as "droplet time crystals" (DTC), which are periodically driven systems that exhibit a persistent oscillatory response with an integer multiple of the driving period. The main components of the experiment included the electrodynamic shaker, the OAV Air Bearing [OAVBX5050], the fluid bath, the droplet printer, and the optical imaging system used to observe and process the information from the experiments.
Using a custom optical table that rested on passive vibration isolation legs for elimination of external noise, the driving force was provided by an electrodynamic shaker bolted onto a layer cake structure, which rested on machine mounts. The shaker was connected to the OAV Air Bearing through a drive rod, and the air bearing was mounted on an aluminum plate on top of the optical table, connected to a high-purity compressed air supply. The fluid bath was leveled, and the air bearing assembly was clamped in place before the air bearing slider bar was connected to the drive rod. The design assembly can be seen in the below graphic.
The OAV Air Bearing was a crucial component in the assembly. Indeed, the OAVBX5050 was used to reduce the transverse vibrations through stabilization of the entire system due its smooth and ultra-precise frictionless motion. Frictionless motion in the axial direction prevented adverse motion in the transverse plane. The team chose an air bearing with a large enough surface area to maintain the total payload to a minimum, reducing the shaker resonances.
The fluid bath had a fluid containing diameter of 100 mm, with mass totaling to 570 g. It was mounted on an air bearing slider bar and was precisely aligned by tilting the whole optical table using a two-axis digital level. Vibrations of the bath were measured using two piezoelectric single-axis accelerometers. Droplets were introduced onto the fluid bath surface using a droplet printer consisting of a computer-controlled two-axis linear translation stage and a piezoelectric droplet generator. The droplet generator utilized a 35 mm diameter piezoelectric buzzer disk and M6 threaded brass nozzle with 0.1-1.0 mm nozzle size. The fluid was pumped into the generator by a peristaltic pump, and the fluid level was set using a micrometer translation stage. The droplets' motion was tracked via a top view camera and a side view camera.
In the experiment, multiple subsystems were used to control the data acquisition and measurement. A computer was used to generate the driving signal for the shaker and read the accelerometer data, both at a 32 kHz sampling rate. The signals were monitored using a digital storage oscilloscope and a software feedback loop maintained a fixed driving amplitude. A droplet printer was used to deposit droplets onto the fluid surface and two microcontrollers were used to monitor temperature probes and the droplet printer. The cameras were triggered manually and the images were processed manually. However, all subsystems were integrated and controlled by a single workstation. Baseline measurements were performed to characterize the mechanical resonance properties of the shaker and study its dependence on payload. The shaker resonances were found to conform to the expectations and were in good agreement with previous studies.
The laboratory had air conditioning system to maintain 0.5 °C temperature stability, monitored by two PT100 platinum RTD probes and a microcontroller. Calibration was done relative to each other at 21 °C ambient temperature. The fluid used for the experiments was silicone oil with density of 950 kg/m3 and viscosity of 20 cSt at 25 °C. The thermal characterization depicted that the temperature of the fluid and the air remained within the air conditioning system specifications. However, the high-speed imaging light (135 W LED) could generate turbulent air currents and affect the droplet dynamics, so it should only be turned on when necessary. These adverse effects can be eliminated by protecting the fluid bath with enclosures. Continuous measurement of fluid temperature is not necessary unless extreme precision is required.
When the fluid bath vibrated above a certain frequency-dependent amplitude, called the Faraday threshold, Faraday waves emerged on the fluid surface. The authors observed Faraday patterns with square and triangular unit cells that repeated at a lower frequency than the driving frequency of the fluid bath. The authors also introduced droplets onto the fluid surface and observed that they stably bounced in a (2,1) mode, where their center of mass undergoes vertical periodic oscillations at half the driving frequency of the fluid bath. The droplets also supported internal vibrational modes in free space. The authors fixed the driving frequency and amplitude and studied the effect of varying the droplet size on the droplet's bouncing dynamics.
Il cuscinetto pneumatico OAV è stato un componente cruciale nell'assemblaggio. Infatti, l'OAVBX5050 è stato utilizzato per ridurre le vibrazioni trasversali attraverso la stabilizzazione dell'intero sistema grazie al suo movimento fluido e ultra preciso senza attrito. Il movimento senza attrito nella direzione assiale ha impedito il movimento contrario nel piano trasversale. Il team ha scelto un cuscinetto ad aria con una superficie sufficientemente ampia da mantenere il carico utile totale al minimo, riducendo le risonanze dell'agitatore.
Il bagno fluido aveva un diametro contenente fluido di 100 mm, con una massa totale di 570 g. È stato montato su una barra di scorrimento con cuscinetti ad aria ed è stato allineato con precisione inclinando l'intero tavolo ottico utilizzando una livella digitale a due assi. Le vibrazioni del bagno sono state misurate utilizzando due accelerometri piezoelettrici ad asse singolo. Le goccioline sono state introdotte sulla superficie del bagno fluido utilizzando una stampante per goccioline costituita da uno stadio di traslazione lineare a due assi controllato da computer e un generatore di goccioline piezoelettrico. Il generatore di gocce utilizzava un cicalino piezoelettrico di 35 mm di diametro e un ugello in ottone filettato M6 con dimensioni dell'ugello di 0,1-1,0 mm. Il fluido è stato pompato nel generatore da una pompa peristaltica e il livello del fluido è stato impostato utilizzando uno stadio di traslazione micrometrico. Il movimento delle goccioline è stato monitorato tramite una telecamera con vista dall'alto e una telecamera con vista laterale.
Nell'esperimento sono stati utilizzati più sottosistemi per controllare l'acquisizione e la misurazione dei dati. È stato utilizzato un computer per generare il segnale di guida per l'agitatore e leggere i dati dell'accelerometro, entrambi a una frequenza di campionamento di 32 kHz. I segnali sono stati monitorati utilizzando un oscilloscopio a memoria digitale e un loop di feedback software ha mantenuto un'ampiezza di guida fissa. È stata utilizzata una stampante per goccioline per depositare goccioline sulla superficie del fluido e due microcontrollori sono stati utilizzati per monitorare le sonde di temperatura e la stampante per goccioline. Le telecamere sono state attivate manualmente e le immagini sono state elaborate manualmente. Tuttavia, tutti i sottosistemi erano integrati e controllati da un'unica postazione di lavoro. Sono state eseguite misurazioni di base per caratterizzare le proprietà di risonanza meccanica dell'agitatore e studiarne la dipendenza dal carico utile. Le risonanze dello shaker sono risultate conformi alle aspettative ed erano in buon accordo con gli studi precedenti.
Il laboratorio disponeva di un sistema di condizionamento dell'aria per mantenere una stabilità della temperatura di 0,5 °C, monitorata da due sonde RTD al platino PT100 e un microcontrollore. La calibrazione è stata eseguita l'una rispetto all'altra a una temperatura ambiente di 21 °C. Il fluido utilizzato per gli esperimenti è stato olio di silicone con densità di 950 kg/m3 e viscosità di 20 cSt a 25 °C. La caratterizzazione termica ha dimostrato che la temperatura del fluido e dell'aria è rimasta entro le specifiche del sistema di climatizzazione. Tuttavia, la luce di imaging ad alta velocità (LED da 135 W) potrebbe generare correnti d'aria turbolente e influenzare la dinamica delle goccioline, quindi dovrebbe essere accesa solo quando necessario. Questi effetti negativi possono essere eliminati proteggendo il bagno fluido con involucri. La misurazione continua della temperatura del fluido non è necessaria a meno che non sia richiesta un'estrema precisione.
Quando il bagno di fluido ha vibrato al di sopra di una certa ampiezza dipendente dalla frequenza, chiamata soglia di Faraday, le onde di Faraday sono emerse sulla superficie del fluido. Gli autori hanno osservato modelli di Faraday con celle unitarie quadrate e triangolari che si ripetevano a una frequenza inferiore rispetto alla frequenza di guida del bagno fluido. Gli autori hanno anche introdotto goccioline sulla superficie del fluido e hanno osservato che rimbalzavano stabilmente in modalità (2,1), dove il loro centro di massa subisce oscillazioni periodiche verticali a metà della frequenza di guida del bagno fluido. Le goccioline supportavano anche modalità vibrazionali interne nello spazio libero. Gli autori hanno fissato la frequenza e l'ampiezza di guida e hanno studiato l'effetto della variazione della dimensione delle goccioline sulla dinamica di rimbalzo delle goccioline.
Il generatore-stampante di goccioline ha prodotto modelli bidimensionali arbitrari di goccioline su un bagno. Le strutture risultanti sono state determinate dalle interazioni gocciolina-gocciolina. Un esempio di ciò è un reticolo quadrato di goccioline, che dopo 5 minuti subisce una trasmutazione in un reticolo triangolare. Questo è un fenomeno non banale in quanto il sistema è spinto lontano dalla soglia di Faraday e la preferenza per un reticolo triangolare rispetto a un reticolo quadrato non può essere spiegata solo con la conservazione dell'energia o con una maggiore frazione di impaccamento. Il comportamento osservato è dovuto all'interazione complessa e autoconsistente tra interazioni a molti corpi mediate dalle onde tra le goccioline e sottili effetti di confine.
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TP Simula 2023 PhyS. Scr.GocciolinaCristalli del tempo
Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dall'Optical Sciences Centre presso la Swinburne University of Technology di Melbourne, in Australia.