جایزه‌های ویدئویی برای دنباله‌های بویی و جعل‌کنندگان کوانتومی

دورۀ برندگان گالری دینامیک سیالات شامل قطراتی است که از سیم تکانیده می‌شوند، انتشار بوی در نسیم و قطراتی که رفتار شبیه به کوانتوم دارند.

توضیح شکل — یکی از ویدئوهای زیر رفتار مجموعه‌ای از سنگدانه‌ها را با رفتار مجموعه‌ای از قطرات مایع مقایسه می‌کند. قطرات رفتار شبیه‌تری به ذرات کوانتومی دارند تا به سنگدانه‌ها.

بخش دینامیک سیالات انجمن فیزیک آمریکا (DFD) برندگان مسابقهٔ سالانهٔ گالری حرکت مایع برای ویدئو و پوستر سال ۲۰۲۵ را اعلام کرد. ویدئوهای زیر جایزهٔ میلتون ون‌دیک را دریافت کردند؛ این جایزه به هر دو، ویدئو و پوستر، اعتبار می‌بخشد. یک نمایشگاه سیار از برندگان قبلی در حال حاضر در هوستون به نمایش گذاشته شده است.

آزادسازی قطره‌ها با تکان

دلیپ مایتی به یاد می‌آورد که وقتی دوستان دوران کودکی‌اش برای شوخی یک شاخهٔ مرطوب درخت را بالای سرش تکان می‌دادند، «باران می‌شد». او می‌گوید: «همیشه تعجب می‌کردم که چگونه یک تکان کوچک یا وزش ملایم باد می‌تواند ناگهان یک قطرهٔ آرام روی برگ را رها کند». او که اکنون به عنوان پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه علم و فناوری ملک عبدالله در عربستان سعودی مشغول به کار است، به همراه همکارانش فرایندی را مطالعه کرده‌اند که در آن یک قطره از سیم آزاد می‌شود زمانی که سیم به سرعت به سمت بالا حرکت می‌کند و این وضعیت، مشابه تکان درخت یا تار عنکبوت توسط باد پس از باران است. اطلاعات نسبت به این فرایند اندک است، زیرا اکثر تحقیقات پیشین به بررسی لغزش آرام قطره‌ها بر روی الیاف پرداخته‌اند.

ویدئوی با سرعت بالا جزئیات فرایندی را که قطره از سیم به سرعت به سمت بالا حرکت می‌کند و جدا می‌شود، نشان می‌دهد.

تیم چند رفتار نوین کشف کرد: به‌جای کشیدگی به شکل یک لولهٔ سادهٔ مایع، قطره به یک ورق نازک مایع تبدیل می‌شود که بین دو «لب» بزرگ‌تر در دو لبهٔ آن کشیده شده است. هنگام جدا شدن قطره و سیم، این لبه‌های «لبی» به‌هم کشیده می‌شوند و یک جت نازک و بلند بالای قطره تولید می‌کنند. پژوهشگران تأثیرات ویسکوزیته، کشیدگی سطحی و حرکت سیم را بر فرآیند جدا شدن بررسی کردند. آن‌ها امید دارند که درک پیشرفته‌تر از جداسازی قطره‌ها در مطالعات گسترش بیماری‌ها در مزارع کشاورزی و شبکه‌های جمع‌آوری مه که در مناطق کم‌آب آب را از تراکم جمع می‌کند، مفید باشد.

چگونه باد بوی را حمل می‌کند

بسیاری از حشرات برای یافتن غذا و جفت، از بوها استفاده می‌کنند و پژوهشگران می‌خواهند دقیقاً بدانند که چگونه این حشرات در میان پلوم‌های بویایی پیچیده مسیر خود را پیدا می‌کنند. بخشی از این پژوهش، دانشجوی دکتری ال استارک از دانشگاه کلرادو، بولدر، به‌همراه همکارانش، به بررسی تعاملات بین یک نسیم آشوب‌گونه و یک پلوم بویایی می‌پردازند؛ مثلاً بویِ گل که برای جذب زنبورها یا گرده‌افشان‌های دیگر منتشر می‌شود. تیم اولین مجموعهٔ داده‌ای را تولید کرده است که هم مسیرهای نازک و پرجزئیات پلوم را شامل می‌شود و هم میدان سرعت هوا در اطراف آن را به‌صورت همزمان تحت شرایط طبیعی به‌دست می‌آورد. برای به‌دست آوردن داده‌های با وضوح بالا، دو نوع تصویر‌برداری متفاوت استفاده شد؛ یکی برای اندازه‌گیری غلظت پلوم بخار اسیتون و دیگری برای اندازه‌گیری نوسانات سرعت هوای به‌طور ملایم توربولنت.

تعاملات میان نسیم به‌طور ملایم توربولنت و منبع بوی (مانند یک گل) با جزئیت و همزمانی توسط دو فناوری تصویر‌برداری پیگیری شد.

این ترکیب به تیم این امکان را داد که به‌طور مستقیم نحوهٔ تأثیر الگوهای جریان هوا بر چرخش‌ها و تا‌خورهای رشته‌های بوی را مشاهده کند. استارک و همکارانش انتظار دارند مجموعه‌های داده‌ای خود ورودی‌های مهمی برای مطالعات رفتار حشرات در واکنش به این‌گونه پلوم‌های بوی فراهم کنند. آن‌ها می‌گویند این کار می‌تواند در کاربردهایی مانند شناسایی مواد منفجره و مکان‌یابی نقاط نشتی گاز نیز مفید باشد.

رقص قطره‌ها شبیه ذرات کوانتومی

ذرات کوانتومی می‌توانند مانند امواج با یکدیگر تعامل داشته باشند، اما گاهی ذرات کلاسیک نیز چنین می‌توانند. قطرات سیال میلی‌متری که بر روی مایع ارتعاشی می‌پراندند، امواج سطحی ایجاد می‌کنند که به آن‌ها اجازه می‌دهد با سایر قطرات از راه دور تعامل داشته باشند. این قطرات می‌توانند رفتارهای خاصی از کوانتوم را شبیه‌سازی کنند. اما آن‌ها تمایل به هم‌پیوستگی دارند وقتی به یکدیگر می‌رسند، که مانع از انجام آزمایش‌های شبیه‌سازی کوانتومی می‌شود. اکنون دانشجوی دورهٔ لیسانس جوزف کلیمپِت از دانشگاه کارولینای شمالی، چاپل‌هیل، و همکارانش نشان داده‌اند که انجام آزمایش‌ها تحت فشار هوای بالا هم‌پیوستگی را جلوگیری می‌کند و امکان مشاهدهٔ پدیده‌های جدید را فراهم می‌آورد.

تعاملات جمعی گروهی از قطرات مایع می‌تواند رفتارهای یک تودهٔ بوز‑آینشتین را شبیه‌سازی کند.

تیم حرکات تعداد زیادی از قطرات را که بر روی سطح مایع ارتعاشی داخل یک محوطه دایره‌ای قرار داده شده بودند، پیگیری کرد. فشار تا ۱۰ اتمسفر افزایش یافت تا قطرات بتوانند به‌صورت مداوم برای چند ساعت پخش شوند و از طریق میدان‌های موجی خود با یکدیگر تعامل داشته باشند. چگالی متوسط (توزیع احتمال فضایی) در طول آزمایش دو حلقه متحد‌مرکزی به‌عنوان بیشینه‌ها نشان داد، همان‌طور که در یک سیستم کوانتومی نظیر تودهٔ بوز‑آینشتین انتظار می‌رود. رهبر تیم، پدرو سآنز از دانشگاه کارولینای شمالی، چاپل‌هیل، می‌گوید کار با این قطرات تحت فشار می‌تواند به پژوهشگران در درک بهتر عبور از حوزهٔ کلاسیک به حوزهٔ کوانتومی کمک کند.