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「逆さまに浮く」現象を振動で実現

Nature ダイジェスト Vol. 17 No. 12 | doi : 10.1038/ndigest.2020.201236

原文:Nature (2020-09-03) | doi: 10.1038/d41586-020-02451-w | Vibration overcomes gravity on a levitating fluid

Vladislav Sorokin & Iliya I. Blekhman

空気・流体系を垂直に振動させると、流体の層を空気の層の上に浮かべることができることが分かっている。今回、この振動で浮かべた流体層の下側の、流体と空気の界面で、「反重力」が働いているかのように物体を「逆さまに浮かべる」ことができることが分かった。

振動が引き起こす作用によって流体中で起こる反直観的な現象は、1950年代からかなりの研究者の興味を引き付けてきた。例えば、振動する流体の中では、気泡を沈ませたり、重い粒子を上昇させたりすることができる1-3。さらに、100Hz程度かそれ以上の比較的高い振動数で系を垂直に振動させることにより、流体の層を空気の層の上に浮かべることができる4。パリ市立工業物理化学高等専門大学(ESPCI Paris)のBenjamin Apffelらは今回、振動し、浮かべた流体層に関する新たな注目すべき現象をNature 2020年9月3日号48ページで報告した5。物体は、重力の方向が逆になったかのように、流体層の下側の界面で「逆さまに浮かぶ」ことができる(図1)。こうした現象は、例えば、気液反応に使われる気泡塔反応器など、流体中に浮遊させた気泡を含む系で、流体に含まれる物質の分離・輸送(選鉱や廃水処理に使われているような工程)など、現実的な利用に大きな可能性を持っている3

図1 逆さまの浮揚
Apffelらは、容器を垂直に振動させることにより、容器中の空気の層の上に液体を浮かばせた5。彼らは、液体層の下側の空気・液体界面に物体を逆さまに浮かべることができることを観察した。 | 拡大する

BENJAMIN APFFEL

振動する流体のこうした変わった振る舞いは、一般に振動数が高い振動の結果として起こる驚くべき現象の一部にすぎない。おそらく、最もよく取り上げられる例はスティーブンソン・カピッツァ振り子で、これは支持点が振動し、固い振り子が上向きにバランスするものだ6。また、チェロメイ振り子では、棒が垂直に振動するとき、棒に沿って滑ることができるワッシャーが「浮く」ように見える2

高振動数振動の物理効果の研究は、力学とレオロジー(流動学)の特別な一分野として昔から存在していた7。こうした研究から、振動系では、非振動系に加わる力に加えて、振動力と呼ばれる時間平均された力が生じることが分かった。振動する液体中の気泡の沈下や、空気の上に液体層が浮かぶことなど2,3、一見逆説的な現象をもたらすのはこうした振動力だ。振動力は例えば、いくつかの物体の回転の自己同期を可能にしたり、物質を分離し輸送したりするなど、現実的な応用で使われてきた7

Apffelらは今回、振動力ができることのリストに「逆さまの浮揚」をつけ加えた。Apffelらは彼らの実験で、容器を粘性のある液体で満たし、振動装置を使って液体を高い振動数で垂直に振動させた。臨界深度より下の深さで液体に加えられた空気の泡は容器の底に沈んだ。彼らは、沈んだ泡を大きくして安定した空気の層を作り、液体はその上に浮かんだ。今回の研究での浮かんだ液体の最大体積は0.5Lで、最大の横幅は20cmだった。Apffelらは、小さな物体(質量は7gまで、長さあるいは直径は2.5cmまで)が下側の空気・液体界面に逆さまに浮かぶことを観察した(図1)。

Apffelらは、この観察結果を説明するため、流体に働く有効な重力(垂直に加速される系に働く見かけの重力)と、流体に浸かって浮かんでいる物体に働く有効な重力は、系が垂直に振動させられると時間とともに振動すると指摘した。流体の下側の界面に浮かぶ物体の流体中にある体積も、時間とともに振動する。これにより、時間平均された力(重力と浮力が釣り合う位置への復元力になる)が物体に働くとApffelらは提案した。この力が「反重力」効果を持ち、この効果により、80Hz以上の振動数の垂直振動では、物体が流体の下側の界面に浮かぶことが可能になる。Apffelらの振動系の安定状態は、スティーブンソン・カピッツァ振り子6やチェロメイ振り子2と同じように、ポテンシャルエネルギーの極小ではなく極大に対応する。

Apffelらは、この逆さま浮揚現象の比較的単純な数学的記述を提案した。この記述は、単純化のための仮定をいくらか含んでいる。例えば、空気層の圧力は、空気層の高さの変化の一次関数とする。この単純化は、彼らの理論が実験系の振る舞いを記述する正確さをいくらか制限し、観察との小さな食い違いにつながる。

気体で飽和した流体中の音速は、広い範囲の、体積で測った気体濃度で驚くほど低いことにも注目すべきだ。この低い音速も「反重力」効果を生むことが観察されてきた3。例えば、30~70%の空気濃度では、音速はわずか毎秒20mだ3。一方、空気中では毎秒約340m、水中では毎秒約1450mだ。音速がこれほど低い場合、50Hz程度の周波数で、1つあるいは複数の縦波(疎密波)の定在波が高さ1mの振動する体積に収まる。重く固い粒子や気泡は、こうした定在波の振幅の最小と最大の点に引き付けられ、重力に反する効果につながる。

Apffelらの研究は、振動する力学系、特に気体と流体の界面で起こる多くの注目すべき現象がまだ明らかになっておらず、説明されてもいないことを示した。これは今後の研究に大きな可能性があることを意味する。さらに広い視野で考えれば、化学、物理学、生物学など、他の科学の分野の系での高振動数励起の効果の分析も有望な研究テーマだ8。こうした系では、励起は、プロセスが起こっている環境や媒質の性質のあらゆる周期的変化であり得る。非力学系での高振動数励起によって、どんな反直観的現象が引き起こされ得るかを見いだすことはエキサイティングだ。化学や生物学でも「反転重力」に相当するものがあるだろうか?

(翻訳:新庄直樹)

Vladislav Sorokinは、オークランド大学(ニュージーランド)に所属、Iliya I. Blekhmanは、ロシア科学アカデミー機械工学問題研究所(サンクトペテルブルク)に所属。

参考文献

  1. Bleich, H. H. J. Jet Propuls. 26, 958–964 (1956).
  2. Chelomei, V. N. Sov. Phys. Dokl. 28, 387–390 (1983)
  3. Blekhman, I. I., Blekhman, L. I., Sorokin, V. S., Vasilkov, V. B. & Yakimova, K. S. J. Mech. Eng. Sci. 226, 2028–2043 (2012).
  4. Wolf, G. H. Phys. Rev. Lett. 24, 444–446 (1970)
  5. Apffel, B., Novkoski, F., Eddi, A. & Fort, E. Nature 585, 48–52 (2020).
  6. Kapitza, P. L. Sov. Phys. JETP 21, 588–597 (1951).
  7. Blekhman, I. I. Vibrational Mechanics: Nonlinear Dynamic Effects, General Approach, Applications (World Scientific, 2000).
  8. Blekhman, I. I. & Sorokin, V. S. Nonlinear Dynam. 83, 2125–2141 (2016).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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