Thursday, September 18, 2014Falaco

Thursday, September 18, 2014
Falaco Solitons: Particles at the Pool

While the season for swimming has already passed in most of the country, it’s still not too late in the year for some physics fun in the pool! If you’ve got a sunny day, a dinner plate, and access to a calm body of water, you can explore one of the coolest (and coolest-sounding) phenomena in fluid dynamics: vortical (or “Falaco”) solitons.

If it sounds like I’m making up words here, let’s start with some definitions: a soliton is a kind of wave which moves without dispersing. When you cannonball into the pool, the ripples you create radiate away from your impact point and decrease in height as they go. A wave travelling down a narrow canal, though, is reflected when it hits the walls, and can’t spread out. This confinement makes the wave behave as a coherent “packet” that propagates down that canal indefinitely, losing energy only to the viscous forces that hold water molecules together. While solitons are interesting by themselves, they’re difficult to observe without a tank specially designed to balance the dispersive and reflective tendencies of a wave. This is where the vortical (i.e. rotating, as in a vortex) aspect becomes important.

If you’ve ever been canoeing or kayaking, you’ve probably seen surface vortices. When you put your paddle into the water and draw it back, fluid rushes in from the sides to fill the void you create. Oftentimes this results in small eddies, whirlpools which persist for a moment as depressions on the surface, until they lose their angular momentum to the water around them. This usually happens within a few seconds, but it’s possible to create a soliton form of this phenomenon, which will rotate stably for an astoundingly long time. The math governing these phenomena is hideously complex (it falls under the field of nonlinear dispersive partial differential equations), but in the same way that you don’t need kinematic calculations to hit a golf ball, you can see it in action without ever touching a pen to paper. Watch what happens when Youtube user Jeffreyscomputer creates a symmetrical pair of these vortices
That’s all there is to it! By dipping the plate halfway into the water and drawing it forward at just the right speed (this may take some practice), you can balance out the dispersive effects and create a semi-stable topological defect. As in the image at the top of this post, the two counter-spinning whirlpools are bound together by a sort of “string” under the water’s surface. Thanks to this strange feature, the vortex pair can be treated as a single system with a total angular momentum of zero, which allows it to continue spinning without creating energy-sapping turbulence in the water around it. The smooth dimples they create act as a sort of lens, bending sunlight away and casting a shadow on the bottom of the pool, which lets us witness their amazing longevity.

It’s not a perfect analogy, but this example can be a useful tool for understanding the stability of charge-neutral systems. Like a particle annihilating its antiparticle, if two free vortices spinning opposite directions collided, the angular momentum of one would cancel that of the other, the dimples would disappear, and the energy that was contained in them would radiate away as surface waves. But in a bound state, they behave more like a hydrogen atom: the energy in them is never stationary, but the system as a whole can remain at rest.

So if you feel like performing your own particle collision experiments, there’s no need for a bulky proton accelerator; grab a friend and a pair of plates, find an empty swimming pool, and watch a ballet of motion unfold amid the shifting patterns of sunlight on the bottom.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

พฤหัสบดี 18 กันยายน 2557Falaco Solitons: อนุภาคที่สระในขณะที่ฤดูกาลสำหรับการว่ายน้ำได้ผ่านไปในที่สุดของประเทศ ก็ยังคงไม่สายเกินไปในปีสนุกฟิสิกส์ในสระว่ายน้ำ ถ้าคุณมีวันแดด จาน และการเข้าถึงร่างกายสงบน้ำ คุณสามารถสำรวจปรากฏการณ์ยอดเยี่ยม (และ เสียงยอดเยี่ยม) ในกลศาสตร์อย่างใดอย่างหนึ่ง: vortical (หรือ "Falaco") solitonsถ้าดูเหมือนว่า จะทำคำนี่ เริ่มต้น ด้วยข้อกำหนดบางอย่าง: โซลิตอนเป็นชนิดของคลื่นซึ่งเคลื่อนย้ายได้โดยไม่สลาย เมื่อคุณไหม้ในสระ ให้เกิดระลอกคลื่นที่คุณสร้าง radiate จากผลกระทบของจุด และลดความสูงเป็นพวกเขาไป คลื่นเดินทางลงคลองแคบ แม้ว่า เป็นผลเมื่อมันชนผนัง และไม่สามารถกระจายออก กักนี้ทำให้ทำงานเป็นการสอดคล้อง "เก็ต" ที่แพร่กระจายลงคลองที่ไม่มีกำหนด คลื่นสูญเสียพลังงานไปเท่าแรงหนืดที่โมเลกุลของน้ำด้วยกัน Solitons จะน่าสนใจ ด้วยตัวเอง พวกเขาจะยากที่จะสังเกตโดยไม่ต้องใช้ถังที่ออกแบบมาให้สมดุลโน้ม dispersive และสะท้อนคลื่น การ vortical (เช่นหมุน ในวังวนแห่ง) ลักษณะเป็นสำคัญถ้าคุณเคยการพายเรือแคนู หรือพายเรือคายัค คุณอาจได้เห็นผิว vortices เมื่อคุณใส่การพายเรือในน้ำ และวาดมันไหลย้อนกลับ วิ่งในด้านการเป็นโมฆะที่คุณสร้าง อาจเกิดผลนี้เล็ก eddies ใครที่ยังคงมีอยู่เลยเป็นทะเลบนพื้นผิว จนกว่าพวกเขาสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมของน้ำรอบๆ นี้จะเกิดขึ้นภายในไม่กี่วินาที แต่ก็สามารถสร้างแบบฟอร์มโซลิตอนปรากฏการณ์นี้ ซึ่งจะหมุนจับเวลาแบบยาวย้าย คณิตศาสตร์ว่าด้วยปรากฏการณ์เหล่านี้มีความซับซ้อน hideously (ตรงใต้ฟิลด์ของสมการบางส่วน dispersive เชิงเส้น), แต่แบบเดียวกับที่คุณไม่ต้องคำนวณจลน์จะตีลูกกอล์ฟ คุณสามารถดูการทำงานโดยไม่เคยสัมผัสปากกากระดาษ ดูสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อผู้ใช้ Youtube Jeffreyscomputer สร้างคู่สมมาตรของ vortices เหล่านี้นั่นคือทั้งหมดมัน โดยจุ่มแผ่นลงครึ่งหนึ่งลงในน้ำ และวาดมันไปข้างหน้าเพียงขวาความเร็ว (ซึ่งอาจใช้เวลาปฏิบัติบาง), คุณสามารถสมดุลออกผล dispersive และสร้างข้อบกพร่อง topological กึ่งเสถียร ตามภาพด้านบนของโพสต์นี้ ใครมากมายทวนสองถูกผูกไว้ด้วยกัน โดยการเรียงลำดับของ "สาย" ภายใต้ผิวน้ำ ด้วยคุณลักษณะนี้แปลก สามารถรักษาคู่วอร์เท็กซ์เป็นระบบเดียวกับโมเมนตัมเชิงมุมรวมของศูนย์ ซึ่งช่วยให้การปั่นโดยไม่สร้างความปั่นป่วน sapping พลังงานในน้ำรอบ ๆ เพิ่มเสน่ห์เรียบที่พวกเขาสร้างการกระทำเป็นการเรียงลำดับของเลนส์ ดัดแสงไป และเงาที่ด้านล่างของสระว่ายน้ำ ซึ่งช่วยให้เราเป็นพยานของพวกเขายืนยาวน่า ไม่เปรียบเทียบเหมาะ แต่ตัวอย่างนี้สามารถมีประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจเกี่ยวกับความมั่นคงของระบบค่าเป็นกลาง เช่นการชนกันอนุภาคทำลายล้างของปฏิยานุภาค สองฟรี vortices หมุนทิศทางตรงข้าม โมเมนตัมเชิงมุมของหนึ่งจะยกเลิกที่อื่น เพิ่มเสน่ห์ที่จะหายไป และพลังงานที่มีอยู่ในนั้นจะแผ่ออกไปเป็นคลื่นพื้นผิว แต่ในสถานะถูกผูกไว้ พวกเขาทำงานมากขึ้นเช่นอะตอมไฮโดรเจน: พลังงานในพวกเขาอยู่ไม่นิ่ง แต่ระบบทั้งหมดสามารถอยู่ที่เหลือดังนั้นถ้าหากคุณอยากทดลองการชนของอนุภาค จึงไม่จำเป็นต้องเร่งโปรตอนใหญ่ คว้าเพื่อนและคู่ของแผ่น ค้นหาสระว่ายน้ำที่ว่างเปล่า และดูบัลเล่ต์เคลื่อนไหวแฉท่ามกลางรูปแบบการขยับของแสงแดดที่ด้านล่าง

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

พฤหัสบดี 18 กันยายน, 2014
Falaco solitons อนุภาคที่สระว่ายน้ำในขณะที่ฤดูกาลสำหรับว่ายน้ำได้ผ่านไปแล้วในส่วนของประเทศก็ยังคงไม่สายเกินไปในปีสำหรับบางฟิสิกส์สนุกในสระว่ายน้ำ! หากคุณมีวันแดดจานอาหารค่ำและการเข้าถึงความสงบร่างกายของน้ำที่คุณสามารถสำรวจหนึ่งใน coolest (และที่เด็ดสุดหู) ปรากฏการณ์ในพลศาสตร์ของไหล. vortical (หรือ "Falaco") solitons หาก เสียงเหมือนฉันทำคำที่นี่ขอเริ่มต้นด้วยคำจำกัดความบางกโซลิตอนเป็นชนิดของคลื่นซึ่งย้ายโดยไม่ต้องกระจาย เมื่อคุณลูกกระสุนปืนใหญ่เข้ามาในสระว่ายน้ำระลอกที่คุณสร้างแผ่ออกไปจากจุดที่ส่งผลกระทบต่อคุณและลดลงในระดับความสูงที่พวกเขาไป คลื่นเดินทางลงคลองแคบ ๆ แม้ว่าจะสะท้อนให้เห็นเมื่อ hits ผนังและไม่สามารถแพร่กระจายออกไป การคุมขังนี้จะทำให้คลื่นประพฤติเป็น "แพ็คเก็ต" ที่สอดคล้องกันที่แพร่กระจายลงคลองไปเรื่อย ๆ ว่าการสูญเสียพลังงานเฉพาะกับกองกำลังความหนืดที่ถือโมเลกุลของน้ำด้วยกัน ในขณะที่ solitons มีความน่าสนใจด้วยตัวเองที่พวกเขากำลังยากที่จะสังเกตได้โดยไม่ต้องถังออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อความสมดุลของแนวโน้มการกระจายและการสะท้อนของคลื่น นี่คือที่ vortical (เช่นการหมุนในขณะที่น้ำวน) ด้านกลายเป็นสิ่งสำคัญ. หากคุณเคยพายเรือแคนูคายัคหรือคุณอาจจะเคยเห็น vortices พื้นผิว เมื่อคุณใส่ใบพัดของคุณลงไปในน้ำและวาดมันกลับของเหลววิ่งเข้ามาจากด้านข้างจะปิดช่องว่างที่คุณสร้าง บ่อยครั้งนี้ส่งผลให้เกิดน้ำวนขนาดเล็กอ่างน้ำวนที่ยังคงมีอยู่ขณะนี้เป็นหน้าแตกบนพื้นผิวจนกว่าพวกเขาจะสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมของพวกเขาลงไปในน้ำรอบตัวพวกเขา ซึ่งมักเกิดขึ้นภายในไม่กี่วินาที แต่มันก็เป็นไปได้ที่จะสร้างรูปแบบโซลิตอนของปรากฏการณ์นี้ซึ่งจะหมุนเสถียรเป็นเวลานานอย่างน่าประหลาดใจ คณิตศาสตร์ว่าปรากฏการณ์เหล่านี้มีความซับซ้อนน่ากลัว (มันตกอยู่ภายใต้เขตของสมการเชิงอนุพันธ์ไม่เชิงเส้นกระจาย) แต่ในทางเดียวกันกับที่คุณไม่จำเป็นต้องคำนวณจลนศาสตร์ที่จะตีลูกกอล์ฟ, คุณสามารถเห็นมันในการดำเนินการโดยไม่เคยสัมผัส ปากกากับกระดาษ ดูสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อผู้ใช้ YouTube Jeffreyscomputer สร้างคู่สมมาตรของ vortices เหล่านี้นั่นคือทั้งหมดที่มีไป! โดยการจุ่มจานครึ่งหนึ่งลงไปในน้ำและการวาดภาพมาไว้ข้างหน้าเพียงความเร็วที่เหมาะสม (อาจใช้เวลาการปฏิบัติบาง) คุณสามารถสมดุลออกผลกระทบกระจายและสร้างเสถียรภาพกึ่งข้อบกพร่องทอพอโลยี ในขณะที่ภาพที่ด้านบนของโพสต์นี้ทั้งสองอ่างน้ำวนทวนปั่นถูกผูกไว้ด้วยกันโดยการเรียงลำดับของ "สตริง" ภายใต้พื้นผิวของน้ำ ขอขอบคุณที่คุณลักษณะนี้แปลกคู่กระแสน้ำวนสามารถจะถือว่าเป็นระบบเดียวกับโมเมนตัมเชิงมุมรวมของศูนย์ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการต่อการหมุนโดยไม่ต้องสร้างความวุ่นวายพลังงานบั่นทอนในน้ำรอบ ๆ ลักยิ้มเรียบพวกเขาสร้างทำหน้าที่เป็นจัดเรียงของเลนส์, ดัดแสงแดดออกไปและหล่อเงาที่ด้านล่างของสระว่ายน้ำซึ่งจะช่วยให้เราเป็นสักขีพยานยืนยาวที่น่าตื่นตาตื่นใจของพวกเขา. มันไม่ได้เป็นความคล้ายคลึงที่สมบูรณ์แบบ แต่ตัวอย่างนี้สามารถเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์สำหรับการทำความเข้าใจ ความมั่นคงของระบบค่าใช้จ่ายที่เป็นกลาง เช่นเดียวกับอนุภาคทำลายล้างปฏิปักษ์ของมันถ้าสอง vortices ฟรีปั่นทิศทางตรงข้ามชนโมเมนตัมเชิงมุมของหนึ่งจะยกเลิกที่ของอื่น ๆ ลักยิ้มจะหายไปและพลังงานที่มีอยู่ในพวกเขาจะแผ่ออกไปเป็นคลื่นพื้นผิว แต่อยู่ในสภาพที่ถูกผูกไว้ที่พวกเขาทำงานมากขึ้นเช่นอะตอมไฮโดรเจน:. พลังงานในพวกเขาไม่เคยหยุดนิ่ง แต่ระบบโดยรวมจะยังคงอยู่ในส่วนที่เหลือดังนั้นถ้าคุณรู้สึกว่าการดำเนินการทดลองอนุภาคชนกันของคุณเองไม่มีความจำเป็นในการ เร่งโปรตอนขนาดใหญ่; คว้าเพื่อนและคู่ของแผ่นหาสระว่ายน้ำที่ว่างเปล่าและดูบัลเล่ต์ของการเคลื่อนไหวแฉท่ามกลางรูปแบบการขยับของแสงแดดที่อยู่ด้านล่าง