CASO DE ESTUDIO
Una vista física cuántica de los cristales de tiempo: Cojinete de aire OAV utilizado para estabilizar el electrodinámica Resonancias de Shaker para experimentos sobre física de gotitas que no están en equilibrio
El Centro de Ciencias Ópticas de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Melbourne, Australia, tuvo como objetivo comprender mejor el comportamiento de las gotas de líquido que rebotan en el sur.cara de un baño de fluido a través de una lente física cuántica. Cuando las gotas están sujetas a forzado periódico, pueden comenzar a "caminar" sobre la superficie del fluido, Arkansasresultado de cada impacto de la gota con la superficie del fluido desencadenando una onda capilar,y thLos gradientes posteriores en la superficie del fluido impulsan el movimiento plano de las gotas. El equipo caracterizó estas gotas como "cristales de tiempo de gota" (DTC), que son sistemas activados periódicamente que exhiben una respuesta oscilatoria persistente con un múltiplo entero del período de activación. Los componentes principales del experimento incluyend el agitador electrodinámico, el cojinete de aire OAV [OAVBX5050], el baño de fluidos, la impresora de gotas y el sistema de imagen óptica utilizados para observar y procesar la información de los experimentos.
Usando una mesa óptica personalizada que descansaba sobre patas de aislamiento de vibraciones pasivas para eliminar el ruido externo, la fuerza motriz la proporcionaba un agitador electrodinámico atornillado a una estructura de torta de capas, que descansaba sobre los soportes de la máquina. El agitador se conectó al cojinete de aire OAV a través de una varilla de transmisión, y el cojinete de aire se montó en una placa de aluminio en la parte superior de la mesa óptica, conectado a un suministro de aire comprimido de alta pureza. Se niveló el baño de fluido y se sujetó el conjunto del cojinete de aire antes de conectar la barra deslizante del cojinete de aire a la varilla impulsora. El montaje del diseño se puede ver en el siguiente gráfico.
The Optical Sciences Centre at the Swinburne University of Technology in Melbourne, Australia aimed to better understand the behavior of liquid droplets bouncing on the surface of a fluid bath through a quantum physical lens. When droplets are subject to periodic forcing, they may begin to "walk" on the surface of the fluid, a result of each impact of the droplet with the fluid surface triggering a capillary wave, and the subsequent gradients in the fluid surface driving the planar motion of the droplets. The team characterized these droplets as "droplet time crystals" (DTC), which are periodically driven systems that exhibit a persistent oscillatory response with an integer multiple of the driving period. The main components of the experiment included the electrodynamic shaker, the OAV Air Bearing [OAVBX5050], the fluid bath, the droplet printer, and the optical imaging system used to observe and process the information from the experiments.
Using a custom optical table that rested on passive vibration isolation legs for elimination of external noise, the driving force was provided by an electrodynamic shaker bolted onto a layer cake structure, which rested on machine mounts. The shaker was connected to the OAV Air Bearing through a drive rod, and the air bearing was mounted on an aluminum plate on top of the optical table, connected to a high-purity compressed air supply. The fluid bath was leveled, and the air bearing assembly was clamped in place before the air bearing slider bar was connected to the drive rod. The design assembly can be seen in the below graphic.
The OAV Air Bearing was a crucial component in the assembly. Indeed, the OAVBX5050 was used to reduce the transverse vibrations through stabilization of the entire system due its smooth and ultra-precise frictionless motion. Frictionless motion in the axial direction prevented adverse motion in the transverse plane. The team chose an air bearing with a large enough surface area to maintain the total payload to a minimum, reducing the shaker resonances.
The fluid bath had a fluid containing diameter of 100 mm, with mass totaling to 570 g. It was mounted on an air bearing slider bar and was precisely aligned by tilting the whole optical table using a two-axis digital level. Vibrations of the bath were measured using two piezoelectric single-axis accelerometers. Droplets were introduced onto the fluid bath surface using a droplet printer consisting of a computer-controlled two-axis linear translation stage and a piezoelectric droplet generator. The droplet generator utilized a 35 mm diameter piezoelectric buzzer disk and M6 threaded brass nozzle with 0.1-1.0 mm nozzle size. The fluid was pumped into the generator by a peristaltic pump, and the fluid level was set using a micrometer translation stage. The droplets' motion was tracked via a top view camera and a side view camera.
In the experiment, multiple subsystems were used to control the data acquisition and measurement. A computer was used to generate the driving signal for the shaker and read the accelerometer data, both at a 32 kHz sampling rate. The signals were monitored using a digital storage oscilloscope and a software feedback loop maintained a fixed driving amplitude. A droplet printer was used to deposit droplets onto the fluid surface and two microcontrollers were used to monitor temperature probes and the droplet printer. The cameras were triggered manually and the images were processed manually. However, all subsystems were integrated and controlled by a single workstation. Baseline measurements were performed to characterize the mechanical resonance properties of the shaker and study its dependence on payload. The shaker resonances were found to conform to the expectations and were in good agreement with previous studies.
The laboratory had air conditioning system to maintain 0.5 °C temperature stability, monitored by two PT100 platinum RTD probes and a microcontroller. Calibration was done relative to each other at 21 °C ambient temperature. The fluid used for the experiments was silicone oil with density of 950 kg/m3 and viscosity of 20 cSt at 25 °C. The thermal characterization depicted that the temperature of the fluid and the air remained within the air conditioning system specifications. However, the high-speed imaging light (135 W LED) could generate turbulent air currents and affect the droplet dynamics, so it should only be turned on when necessary. These adverse effects can be eliminated by protecting the fluid bath with enclosures. Continuous measurement of fluid temperature is not necessary unless extreme precision is required.
When the fluid bath vibrated above a certain frequency-dependent amplitude, called the Faraday threshold, Faraday waves emerged on the fluid surface. The authors observed Faraday patterns with square and triangular unit cells that repeated at a lower frequency than the driving frequency of the fluid bath. The authors also introduced droplets onto the fluid surface and observed that they stably bounced in a (2,1) mode, where their center of mass undergoes vertical periodic oscillations at half the driving frequency of the fluid bath. The droplets also supported internal vibrational modes in free space. The authors fixed the driving frequency and amplitude and studied the effect of varying the droplet size on the droplet's bouncing dynamics.
El cojinete de aire OAV fue un componente crucial en el montaje. De hecho, el OAVBX5050 se utilizó para reducir las vibraciones transversales mediante la estabilización de todo el sistema debido a su movimiento suave y ultrapreciso sin fricción. El movimiento sin fricción en la dirección axial impidió el movimiento adverso en el plano transversal. El equipo eligió un cojinete de aire con un área de superficie lo suficientemente grande como para mantener la carga útil total al mínimo, reduciendo las resonancias del agitador.
El baño de fluido tenía un diámetro que contenía fluido de 100 mm, con una masa total de 570 g. Se montó en una barra deslizante con cojinetes de aire y se alineó con precisión inclinando toda la mesa óptica con un nivel digital de dos ejes. Las vibraciones del baño se midieron utilizando dos acelerómetros piezoeléctricos de un solo eje. Las gotas se introdujeron en la superficie del baño de fluido utilizando una impresora de gotas que consiste en una etapa de traducción lineal de dos ejes controlada por computadora y un generador piezoeléctrico de gotas. El generador de gotas utilizó un disco zumbador piezoeléctrico de 35 mm de diámetro y una boquilla de latón roscada M6 con un tamaño de boquilla de 0,1-1,0 mm. El fluido se bombeó al generador mediante una bomba peristáltica y el nivel de fluido se fijó mediante una etapa de traslación de micrómetros. El movimiento de las gotas se siguió a través de una cámara de vista superior y una cámara de vista lateral.
En el experimento, se utilizaron múltiples subsistemas para controlar la adquisición y medición de datos. Se utilizó una computadora para generar la señal de activación del agitador y leer los datos del acelerómetro, ambos a una frecuencia de muestreo de 32 kHz. Las señales se monitorearon usando un osciloscopio de almacenamiento digital y un bucle de retroalimentación de software mantuvo una amplitud de conducción fija. Se usó una impresora de gotas para depositar gotas sobre la superficie del fluido y se usaron dos microcontroladores para monitorear las sondas de temperatura y la impresora de gotas. Las cámaras se activaron manualmente y las imágenes se procesaron manualmente. Sin embargo, todos los subsistemas estaban integrados y controlados por una única estación de trabajo. Se realizaron mediciones de referencia para caracterizar las propiedades de resonancia mecánica del agitador y estudiar su dependencia de la carga útil. Se encontró que las resonancias del agitador se ajustaban a las expectativas y estaban en buen acuerdo con estudios previos.
El laboratorio contaba con un sistema de aire acondicionado para mantener una estabilidad de temperatura de 0,5 °C, monitoreado por dos sondas RTD de platino PT100 y un microcontrolador. La calibración se realizó entre sí a una temperatura ambiente de 21 °C. El fluido utilizado para los experimentos fue aceite de silicona con densidad de 950 kg/m3 y viscosidad de 20 cSt a 25 °C. La caracterización térmica mostró que la temperatura del fluido y del aire se mantuvo dentro de las especificaciones del sistema de aire acondicionado. Sin embargo, la luz de imagen de alta velocidad (LED de 135 W) podría generar corrientes de aire turbulentas y afectar la dinámica de las gotas, por lo que solo debe encenderse cuando sea necesario. Estos efectos adversos pueden eliminarse protegiendo el baño de fluido con recintos. La medición continua de la temperatura del fluido no es necesaria a menos que se requiera una precisión extrema.
Cuando el baño de fluido vibró por encima de cierta amplitud dependiente de la frecuencia, llamada umbral de Faraday, surgieron ondas de Faraday en la superficie del fluido. Los autores observaron patrones de Faraday con celdas unitarias cuadradas y triangulares que se repetían a una frecuencia más baja que la frecuencia impulsora del baño de fluido. Los autores también introdujeron gotas en la superficie del fluido y observaron que rebotaban de manera estable en un modo (2,1), donde su centro de masa sufre oscilaciones periódicas verticales a la mitad de la frecuencia de conducción del baño de fluido. Las gotas también admitieron modos de vibración internos en el espacio libre. Los autores fijaron la frecuencia y la amplitud de conducción y estudiaron el efecto de variar el tamaño de la gota en la dinámica de rebote de la gota.
La impresora-generador de gotas produjo patrones bidimensionales arbitrarios de gotas en un baño. Las estructuras resultantes se determinaron mediante interacciones gota-gota. Un ejemplo de esto es una red cuadrada de gotitas, que después de 5 minutos sufre una transmutación a una red triangular. Este es un fenómeno no trivial ya que el sistema se aleja del umbral de Faraday y la preferencia por una red triangular sobre una red cuadrada no puede explicarse solo por la conservación de energía o una fracción de empaquetamiento más alta. El comportamiento observado se debe a una interacción compleja y autoconsistente entre las interacciones de muchos cuerpos mediadas por ondas entre las gotitas y los sutiles efectos de contorno.
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Tapio Simula 2023 Phys. Scr.98 035004
Este material se basa en el trabajo respaldado por el Centro de Ciencias Ópticas de la Universidad de Swinburne.Universidad de Tecnología en Melbourne, Australia.