Ще успеят ли учените да създадат идеален абсорбатор за водни вълни?

А ко вълни от вода, светлина или звук се сблъскат с хипотетичен обект, наречен перфектен абсорбатор, те няма да бъдат нито отразени, нито прехвърлени, те просто биха изчезнали. Наскоро изследователите са демонстрирали нещо подобно на такова перфектно усвояване, използвайки обикновени водни вълни, движещи се по тесен канал. Вълните се елиминират от техните собствени отражения от кухини, вградени в едната страна на канала. С по-нататъшно проучване изследователите смятат, че ефектът може да се използва за намаляване на ерозията или за защита на чувствителни структури чрез използване на елементи, разположени близо до бреговата линия.

„Бяхме мотивирани от необходимостта да контролираме или абсорбираме вълните в реките, за да можем да опазваме по-ефективно бреговете“, каза математическият физик Агнес Маурел от ESPCI Paris.

„Напълното поглъщане на вълновата енергия е дори по-добро от пренасочването й и може да е възможно такава енергия да бъде събирана.“

Physics - Vanishing Act for Water Waves https://t.co/eTscc0DL4A pic.twitter.com/1Gt7cxNtQF

— Bryan Kelly (@BryanKeIIy) November 17, 2023

Но постигането на перфектно усвояване не е лесно. През последните няколко години изследователи, работещи с вълни от светлина или звук, демонстрираха нещо много близко до перфектното поглъщане. Но никой все още не е успял да създаде идеален абсорбатор за водни вълни.

Маурел и колегите му бяха вдъхновени да опитат нов подход, базиран на техните скорошни математически изчисления, които показаха, че перфектното поглъщане може да бъде постигнато чрез проектиране на определен тип резонансна структура, с която входящите водни вълни да взаимодействат. Изчисленията им показаха, че за вълни, движещи се надолу по прав канал, тези структури, когато се възбудят от преминаваща вълна, ще излъчват вторични вълни, които перфектно ще отменят вълните, движещи се както напред, така и назад.

За да демонстрират тази теория на практика, Маурел и нейните колеги следваха двуетапна процедура: първо анализираха как кухините могат да произведат нулево предаване при определени честоти и след това направиха фина настройка, за да произведат нулево отражение при същите тези честоти. Те разглеждат воден канал с дължина 1,4 m, ширина 6 cm и дълбочина 5 cm. В предварителните изчисления, започващи от уравненията за идеална течност - такава, която няма загуби на енергия поради триене - те показаха, че две малки кухини, вградени в страната на канала, могат да действат като необходимите резонансни камери. Тези изчисления предполагат, че двете кухини трябва да са с еднакъв размер, простиращи се от стената на канала с 4 cm. и простиращи се по протежение на канала за 3 cm. За вълни в честотния диапазон, който екипът изучаваше, тези изчисления прогнозираха нулево предаване при 2,7 и 3,3 Hz.

Physics - Vanishing Act for Water Waveshttps://t.co/wbnUjvAPKJ

— James Hollomon (@Luminate_Design) November 19, 2023

След това екипът тества тези прогнози с водни вълни в лаборатория. В тясно съответствие с прогнозите, изследователите откриха два спада в кривата на предаване спрямо честотата - първият почти отиваше до нула, а вторият падаше до около 40%. „Несъответствията с теорията отразяват загубите на енергия от триенето на течността и приближенията, използвани в анализа“, казват изследователите.

„Не успяхме да постигнем перфектно поглъщане при нито една честота, тъй като отражението беше значително.“ Но изследователите откриха, че чрез изкривяване на двете кухини, като едната е малко по-далеч от стената на канала, отколкото другата, те могат да постигнат перфектна абсорбция - нулево предаване и отражение - при 2,9 Hz. Това изисква известна корекция чрез проби и грешки, за да се намери точната асиметрия на кухината.

Маурел и колегите й се надяват да развият тази идея, за да се използва в практическа система за защита на бреговете от ерозия. „Механизмът, който демонстрирахме за направляване на вълни, може да бъде разширен до един вид защитен пояс в морето“, каза тя.

„Това е важен експеримент“, каза Себастиен Гуено от Imperial College London, експерт по разпространение на вълни в широк спектър от приложения. „Двете близко разположени водни кухини действат като бутала в моторен двигател“, тъй като водните им нива са склонни да осцилират точно извън фаза. Той предвижда приложения като „нови видове диги, които да намалят риска от преливане“. И той допълни, че резонансните структури могат също да се използват за събиране на енергия от океанските вълни.