ÉTUDE DE CAS
Une vue physique quantique des cristaux de temps : roulement à air OAV utilisé pour stabiliser le Électrodynamique Résonances de Shaker pour les expérimentations sur la physique hors équilibre des gouttelettes
Le Centre des sciences optiques de l'Université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie, visait à mieux comprendre le comportement des gouttelettes de liquide rebondissant sur la surface.face d'un bain fluide à travers une lentille physique quantique. Lorsque les gouttelettes sont soumises au forçage périodique, ils peuvent commencer à "marcher" à la surface du fluide, arrésultat de chaque impact de la goutte avec la surface du fluide déclenchant une onde capillaire,et eles gradients ultérieurs à la surface du fluide entraînant le mouvement planaire des gouttelettes. L'équipe a caractérisé ces gouttelettes comme des "cristaux de temps de gouttelettes" (DTC), qui sont des systèmes pilotés périodiquement qui présentent une réponse oscillatoire persistante avec un multiple entier de la période de pilotage. Les principales composantes de l'expérience comprennentd l'agitateur électrodynamique, le coussin d'air OAV [OAVBX5050], le bain de fluide, l'imprimante à gouttelettes et le système d'imagerie optique utilisés pour observer et traiter les informations issues des expériences.
En utilisant une table optique personnalisée qui reposait sur des pieds d'isolation passive des vibrations pour l'élimination du bruit externe, la force motrice était fournie par un agitateur électrodynamique boulonné sur une structure de gâteau en couches, qui reposait sur des supports de machine. L'agitateur était connecté au coussin d'air OAV par une tige d'entraînement, et le coussin d'air était monté sur une plaque d'aluminium au-dessus de la table optique, connectée à une alimentation en air comprimé de haute pureté. Le bain de fluide a été nivelé et l'ensemble de palier à air a été serré en place avant que la barre coulissante de palier à air ne soit connectée à la tige d'entraînement. L'assemblage de conception peut être vu dans le graphique ci-dessous.
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.
Le roulement à air OAV était un élément crucial de l'assemblage. En effet, l'OAVBX5050 a été utilisé pour réduire les vibrations transversales grâce à la stabilisation de l'ensemble du système grâce à son mouvement fluide et ultra-précis sans frottement. Un mouvement sans frottement dans la direction axiale a empêché un mouvement indésirable dans le plan transversal. L'équipe a choisi un palier à air avec une surface suffisamment grande pour maintenir la charge utile totale au minimum, réduisant ainsi les résonances de l'agitateur.
Le bain de fluide avait un diamètre contenant du fluide de 100 mm, avec une masse totale de 570 g. Il était monté sur une barre coulissante à coussin d'air et était aligné avec précision en inclinant l'ensemble de la table optique à l'aide d'un niveau numérique à deux axes. Les vibrations du bain ont été mesurées à l'aide de deux accéléromètres piézoélectriques à axe unique. Des gouttelettes ont été introduites sur la surface du bain de fluide à l'aide d'une imprimante à gouttelettes constituée d'un étage de translation linéaire à deux axes commandé par ordinateur et d'un générateur de gouttelettes piézoélectrique. Le générateur de gouttelettes utilisait un disque buzzer piézoélectrique de 35 mm de diamètre et une buse en laiton filetée M6 avec une taille de buse de 0,1 à 1,0 mm. Le fluide a été pompé dans le générateur par une pompe péristaltique, et le niveau de fluide a été réglé à l'aide d'un étage de translation micrométrique. Le mouvement des gouttelettes a été suivi via une caméra vue de dessus et une caméra vue latérale.
Dans l'expérience, plusieurs sous-systèmes ont été utilisés pour contrôler l'acquisition et la mesure des données. Un ordinateur a été utilisé pour générer le signal de commande de l'agitateur et lire les données de l'accéléromètre, les deux à une fréquence d'échantillonnage de 32 kHz. Les signaux ont été surveillés à l'aide d'un oscilloscope à mémoire numérique et une boucle de rétroaction logicielle a maintenu une amplitude de commande fixe. Une imprimante à gouttelettes a été utilisée pour déposer des gouttelettes sur la surface du fluide et deux microcontrôleurs ont été utilisés pour surveiller les sondes de température et l'imprimante à gouttelettes. Les caméras ont été déclenchées manuellement et les images ont été traitées manuellement. Cependant, tous les sous-systèmes étaient intégrés et contrôlés par un seul poste de travail. Des mesures de base ont été effectuées pour caractériser les propriétés de résonance mécanique de l'agitateur et étudier sa dépendance à la charge utile. Les résonances du shaker se sont avérées conformes aux attentes et étaient en bon accord avec les études précédentes.
Le laboratoire disposait d'un système de climatisation pour maintenir une stabilité de température de 0,5 °C, surveillé par deux sondes RTD en platine PT100 et un microcontrôleur. L'étalonnage a été effectué les uns par rapport aux autres à une température ambiante de 21 °C. Le fluide utilisé pour les expériences était de l'huile de silicone avec une densité de 950 kg/m3 et une viscosité de 20 cSt à 25°C. La caractérisation thermique a montré que la température du fluide et de l'air restait dans les spécifications du système de climatisation. Cependant, la lumière d'imagerie à grande vitesse (LED 135 W) peut générer des courants d'air turbulents et affecter la dynamique des gouttelettes, elle ne doit donc être allumée que lorsque cela est nécessaire. Ces effets indésirables peuvent être éliminés en protégeant le bain de fluide avec des enceintes. La mesure continue de la température du fluide n'est pas nécessaire à moins qu'une précision extrême ne soit requise.
Lorsque le bain de fluide vibrait au-dessus d'une certaine amplitude dépendante de la fréquence, appelée seuil de Faraday, des ondes de Faraday apparaissaient à la surface du fluide. Les auteurs ont observé des modèles de Faraday avec des cellules unitaires carrées et triangulaires qui se répétaient à une fréquence inférieure à la fréquence d'entraînement du bain de fluide. Les auteurs ont également introduit des gouttelettes sur la surface du fluide et ont observé qu'elles rebondissaient de manière stable dans un mode (2,1), où leur centre de masse subit des oscillations périodiques verticales à la moitié de la fréquence d'entraînement du bain de fluide. Les gouttelettes ont également pris en charge les modes vibratoires internes dans l'espace libre. Les auteurs ont fixé la fréquence et l'amplitude de pilotage et ont étudié l'effet de la variation de la taille des gouttelettes sur la dynamique de rebondissement des gouttelettes.
L'imprimante-générateur de gouttelettes a produit des motifs bidimensionnels arbitraires de gouttelettes sur un bain. Les structures résultantes ont été déterminées par des interactions goutte-goutte. Un exemple de ceci est un réseau carré de gouttelettes qui, après 5 minutes, subit une transmutation en un réseau triangulaire. Il s'agit d'un phénomène non négligeable car le système est éloigné du seuil de Faraday et la préférence pour un réseau triangulaire par rapport à un réseau carré ne peut s'expliquer uniquement par la conservation de l'énergie ou une fraction de tassement plus élevée. Le comportement observé est dû à une interaction complexe et auto-cohérente entre les interactions à plusieurs corps médiées par les ondes entre les gouttelettes et les effets de frontière subtils.
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TP Simula 2023 Physiques. Scr.GoutteletteCristaux de temps
Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par le Centre des sciences optiques de l'Université de technologie de Swinburne à Melbourne, en Australie.