사례 연구
시간 수정의 양자 물리적 관점: the 를 안정화하는 데 사용되는 OAV 에어 베어링전기 역학 물방울의 비평형 물리학 실험을 위한 Shaker의 공명
호주 멜버른에 있는 Swinburne 공과 대학의 광학 과학 센터는 표면에서 튀는 액체 방울의 동작을 더 잘 이해하는 것을 목표로 했습니다.유체 목욕의 얼굴 양자 물리 렌즈를 통해. 물방울이 대상일 때 주기적인 강제로 유체 표면을 "걷기" 시작할 수 있습니다. 아르모세관파를 유발하는 액체 표면과 액적의 각 충돌 결과,그리고 일액적의 평면 운동을 유도하는 유체 표면의 후속 구배. 팀은 이러한 액적을 구동 기간의 정수배로 지속적인 진동 응답을 나타내는 주기적으로 구동되는 시스템인 "DTC(droplet time crystals)"로 특징지었습니다. 실험의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.디 the electrodynamic shaker, the OAV 에어 베어링 [OAVBX5050], 실험에서 얻은 정보를 관찰하고 처리하는 데 사용되는 유체 수조, 액적 프린터 및 광학 이미징 시스템.
외부 소음을 제거하기 위해 수동 진동 차단 다리에 놓인 맞춤형 광학 테이블을 사용하여 구동력은 기계 마운트에 놓인 레이어 케이크 구조에 볼트로 고정된 전기 역학 셰이커에 의해 제공되었습니다. 셰이커는 드라이브 로드를 통해 OAV 에어베어링에 연결되었고, 에어베어링은 고순도 압축 공기 공급 장치에 연결된 광학 테이블 상단의 알루미늄 판에 장착되었습니다. 유체 수조를 평평하게 하고 에어 베어링 슬라이더 바를 드라이브 로드에 연결하기 전에 에어 베어링 어셈블리를 제자리에 고정했습니다. 디자인 어셈블리는 아래 그래픽에서 볼 수 있습니다.
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.
OAV 에어베어링은 어셈블리에서 중요한 구성 요소였습니다. 실제로 OAVBX5050은 부드럽고 초정밀 마찰 없는 움직임으로 인해 전체 시스템의 안정화를 통해 횡진동을 줄이는 데 사용되었습니다. 축 방향의 무마찰 운동은 횡단면에서 불리한 운동을 방지했습니다. 팀은 총 페이로드를 최소로 유지하여 셰이커 공명을 줄이기 위해 표면적이 충분히 큰 에어 베어링을 선택했습니다.
유체 수조는 직경이 100mm인 유체를 포함하며 총 질량은 570g입니다. 에어 베어링 슬라이더 바에 장착하고 2축 디지털 레벨을 사용하여 광학 테이블 전체를 기울여 정밀하게 정렬했습니다. 2개의 압전 단축 가속도계를 사용하여 수조의 진동을 측정했습니다. 컴퓨터 제어 2축 선형 병진 스테이지와 압전 액적 생성기로 구성된 액적 프린터를 사용하여 액적을 유체 수조 표면에 도입했습니다. 액적 생성기는 직경 35mm의 압전 버저 디스크와 0.1-1.0mm 노즐 크기의 M6 나사산 황동 노즐을 사용했습니다. 유체는 연동 펌프에 의해 발전기로 펌핑되었고 유체 레벨은 마이크로미터 변환 단계를 사용하여 설정되었습니다. 액적의 움직임은 탑 뷰 카메라와 사이드 뷰 카메라를 통해 추적되었습니다.
실험에서 데이터 수집 및 측정을 제어하기 위해 여러 하위 시스템이 사용되었습니다. 진탕기의 구동 신호를 생성하고 가속도계 데이터를 읽기 위해 컴퓨터를 사용했으며 둘 다 32kHz 샘플링 속도로 수행했습니다. 신호는 디지털 저장 오실로스코프를 사용하여 모니터링되었으며 소프트웨어 피드백 루프는 고정 구동 진폭을 유지했습니다. 액적 프린터를 사용하여 유체 표면에 액적을 증착하고 두 개의 마이크로컨트롤러를 사용하여 온도 프로브와 액적 프린터를 모니터링했습니다. 카메라는 수동으로 트리거되었고 이미지는 수동으로 처리되었습니다. 그러나 모든 하위 시스템은 단일 워크스테이션에서 통합 및 제어되었습니다. 셰이커의 기계적 공진 특성을 특성화하고 페이로드에 대한 종속성을 연구하기 위해 기준선 측정을 수행했습니다. 셰이커 공진은 기대에 부합하는 것으로 밝혀졌으며 이전 연구와 잘 일치했습니다.
실험실에는 2개의 PT100 백금 RTD 프로브와 마이크로컨트롤러로 모니터링되는 0.5 °C 온도 안정성을 유지하기 위한 공조 시스템이 있습니다. 보정은 21°C 주변 온도에서 서로에 대해 수행되었습니다. 실험에 사용된 유체는 밀도가 950 kg/m3이고 점도가 25 °C에서 20 cSt인 실리콘 오일이었습니다. 열 특성화는 유체 및 공기의 온도가 공조 시스템 사양 내에서 유지됨을 나타냅니다. 그러나 고속 이미징 조명(135W LED)은 난기류를 생성하고 액적 역학에 영향을 미칠 수 있으므로 필요할 때만 켜야 합니다. 유체 수조를 인클로저로 보호하면 이러한 부작용을 없앨 수 있습니다. 극도의 정밀도가 요구되지 않는 한 유체 온도의 연속 측정은 필요하지 않습니다.
유체 수조가 패러데이 임계값이라고 하는 특정 주파수 종속 진폭 이상으로 진동하면 패러데이 파동이 유체 표면에 나타납니다. 저자는 유체 수조의 구동 주파수보다 낮은 주파수에서 반복되는 정사각형 및 삼각형 단위 셀로 패러데이 패턴을 관찰했습니다. 저자는 또한 유체 표면에 물방울을 도입하고 (2,1) 모드에서 안정적으로 튀는 것을 관찰했습니다. 여기서 질량 중심은 유체 수조의 구동 주파수의 절반에서 수직 주기 진동을 겪습니다. 물방울은 또한 자유 공간에서 내부 진동 모드를 지원했습니다. 저자는 구동 주파수와 진폭을 고정하고 물방울의 튀는 역학에 대한 물방울 크기 변화의 효과를 연구했습니다.
액적 프린터 생성기는 욕조에 임의의 2차원 액적 패턴을 생성했습니다. 결과 구조는 액적-액적 상호 작용에 의해 결정되었습니다. 이에 대한 예는 5분 후에 삼각형 격자로 변환되는 물방울의 정사각형 격자입니다. 이것은 시스템이 패러데이 임계값에서 멀리 구동되고 정사각형 격자보다 삼각형 격자에 대한 선호도가 에너지 보존 또는 더 높은 패킹 비율만으로는 설명될 수 없기 때문에 사소한 현상입니다. 관찰된 거동은 물방울과 미묘한 경계 효과 사이의 파동 매개 다체 상호 작용 사이의 복잡하고 일관된 상호 작용 때문입니다.
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TP 시뮬라 2023 Phy에스. 스크.작은 물방울타임 크리스탈
이 자료는 호주 멜버른에 있는 Swinburne 기술 대학의 The Optical Sciences Center에서 지원하는 작업을 기반으로 합니다.