Un robot oscillante può propellersi attraverso la riflessione delle onde dell'acqua.

9 marzo 2024 caratteristica

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di David Appell , Tech Xplore

Cose strane possono accadere quando un'onda incontra un confine. Nell'oceano, le onde di tsunami che sono appena percettibili in acqua profonda possono diventare piuttosto grandi sulla piattaforma continentale e sulla riva, poiché le onde rallentano e la loro massa si sposta verso l'alto.

L'effetto Casimir è l'attrazione di due piastre parallele non cariche a causa delle onde meccaniche quantistiche virtuali con lunghezze d'onda maggiori della separazione delle piastre che sono escluse tra di loro, quindi i campi virtuali al di fuori delle piastre le spingono verso l'interno. Piastre parallele parzialmente immerse in acqua si attraggono a vicenda poiché le onde d'acqua portatrici di momento con lunghezze d'onda più lunghe sono escluse dalla regione centrale. (La speculazione sull'effetto Casimir marittimo tra navi attraccate è ancora in fase di dibattito.)

Ora gli scienziati hanno dimostrato che un robot galleggiante e simmetrico oscillante subirà delle forze quando si avvicina a un confine. Queste forze possono essere utilizzate per l'autopropulsione senza la necessità di meccanismi più tipici come un'elica.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

Guidata dallo studente di dottorato Steven W. Tarr presso il Georgia Institute of Technology, il team ha costruito un galleggiante circolare stampato in 3D di 12 cm di diametro con una massa di 368 g. A bordo, hanno attaccato motori a batteria che fanno vibrare la barca con una frequenza controllabile, producendo un movimento vibrante lungo l'asse anteriore-posteriore (rollio). Quando acceso, l'imbarcazione ha prodotto una serie di onde simmetriche sulla superficie dell'acqua, tutte della stessa lunghezza d'onda, irradiandosi da essa.

Una lastra di acrilico è stata posta nelle vicinanze in acqua per agire come un confine, abbastanza lunga da creare effettivamente un sistema unidimensionale, quindi era necessario monitorare solo il movimento della barca perpendicolare al muro. Lontano dal muro (rispetto alle dimensioni della barca e alle lunghezze d'onda delle onde d'acqua), non c'era alcuna forza netta sulla barca. Ma vicino al muro, è stato osservato che la barca che genera onde si comportava in modo attraente o repulsivo, a seconda della sua distanza iniziale dal muro e della frequenza delle onde d'acqua generate.

I ricercatori hanno utilizzato una webcam per registrare il movimento della barca e hanno misurato il suo movimento laterale (perpendicolare al muro), misurando anche la sua accelerazione in questa direzione perpendicolare (che era inferiore a 100 micrometri al secondo al quadrato). Le onde che si propagavano dalla barca oscillante sono state osservate e misurate con una telecamera ad alta velocità tramite fotografia Schlieren, che misura le variazioni nella velocità di flusso di un fluido osservando i cambiamenti nel suo indice di rifrazione.

Quando è partito vicino al muro, circa a metà del suo raggio o meno, la barca è stata attratta sempre di più verso il muro man mano che la sua distanza iniziale diminuiva e la sua frequenza di oscillazione aumentava (e quindi aumentava anche la frequenza delle onde d'acqua). In una fascia intermedia, a una distanza iniziale di circa due terzi di un raggio e a frequenze più basse, la forza sulla barca si è leggermente trasformata in repulsiva, spostandola lontano dal muro. A grandi distanze (relativamente al raggio), non c'era forza netta sulla barca.

Poiché l'accelerazione era piuttosto piccola, inferiore a 10 millesimi dell'accelerazione gravitazionale superficiale terrestre ('g'), sono state prese misure per isolare le forze dagli effetti a breve termine dalla viscosità, dalla resistenza della barca dovuta alle onde stesse e dall'inerzia della barca. Tuttavia, le forze erano piccole, al di sotto di 100 micronewton.

Il fenomeno di locomozione di autopropulsione netta delle onde che si propagano dalla barca è avvenuto quando le onde riflesse dal muro hanno colpito lo scafo della barca con energia sufficiente. Sul lato del muro della barca, le onde riflesse hanno colpito lo scafo con un'altezza d'onda più piccola di quella con cui lo hanno lasciato, a causa della dispersione delle onde mentre viaggiavano sulla superficie dell'acqua. Queste onde di ritorno più piccole sono state sottratte dalle onde emesse più grandi, interferendo ed effettivamente diminuendo l'ampiezza delle onde emesse dalla barca sul lato del muro.

In effetti, la barca emetteva onde asimmetriche, maggiori nella direzione opposta al muro e più piccole verso il muro. Questa asimmetria tra i due lati della barca ha comportato una forza attrattiva verso il muro.

Further from the wall, the reflected waves had too small a height to affect net wave generation, but still carried some momentum, resulting in a slight repulsive force. Far from the wall, the reflected waves had dissipated so they provided no meaningful force.

Frequency dependence arose because while the energy of the reflected wave increased with frequency, the contact of the emitted waves with the wall led to complicated dynamics at the contact line, dissipating substantial energy and modifying the amplitude of the reflected waves.

'Our study is a terrific example of the wealth of phenomena waiting to be discovered at the interface of physics and robotics,' said Daniel Goldman, a co-author and physics professor at the Georgia Institute of Technology, who calls this field 'robophysics.'

'Making and using analogies from other branches of physics (in this case, the Casimir effect in quantum field theory) can be useful in developing new approaches to robot movement analogous to our previous work on 'mechanical diffraction' in undulatory limbless systems,' Goldman concluded.

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