Вибрации окружают нас повсюду — от гудения машин до грохота транспортных систем. Обычно эти хаотичные движения пропадают зря, рассеиваясь и не производя полезной работы.
В последнее время учёных заинтересовали «храповые системы» — это механические системы, которые преобразуют хаотичные вибрации в направленное движение. В биологии молекулярные моторы выполняют эту задачу внутри живых клеток, преобразуя случайные молекулярные столкновения в целенаправленные движения. Однако в больших масштабах такие храповые системы всегда полагались на встроенную асимметрию, например, на шестерни или неровные поверхности.
Группа исследователей под руководством аспирантки Высшей школы естественных и технических наук Мику Хататани, а также выпускников и профессоров из Университета Досиша — Джунпея Огуни, Даиго Ямамото и Акихисы Шиои — продемонстрировала первый в мире симметричный храповый мотор.
Исследование опубликовано в журнале Chaos. В нём описано, как простой круглый диск, помещённый на хаотично вибрирующие частицы, может спонтанно нарушить симметрию и вращаться в одном направлении.
«Мы обнаружили, что для создания храпового мотора не нужна специальная структура», — объясняет Мику Хататани. «Простой диск без какой-либо асимметрии может сам нарушить симметрию и начать вращаться в одном направлении».
Чтобы продемонстрировать это, исследователи поместили круглый акриловый диск на тонкий слой стеклянных шариков, которые находились в вибрирующей посуде. При вибрации шарики хаотично подпрыгивали, сталкиваясь с круглым диском. Но вместо того чтобы бесцельно колебаться, диск начал слегка наклоняться, а затем начал вращаться в одном направлении. Этот направленный спин сохранялся в течение нескольких секунд, несмотря на лежащую в его основе хаотичность движения частиц.
Принцип этого эффекта заключается в спонтанном нарушении симметрии. Изначально шарики равномерно распределены под диском, но по мере продолжения вибрации они постепенно скапливаются на одной стороне, заставляя диск наклоняться. Этот наклон, в свою очередь, усиливает неравномерное распределение частиц, фиксируя систему в стабильном вращающемся состоянии.
Чтобы дополнительно подтвердить физику этого явления, исследователи создали математическую модель, основанную на прецессии волчка. Эта модель воспроизвела те же экспериментальные результаты, подтвердив, что столкновений случайно движущихся частиц достаточно для поддержания вращения в одном направлении.
«По сути, система самоорганизуется», — говорит профессор Шиои. «Хаотичность частиц становится источником порядка, приводящим диск во вращение».
Помимо своей новизны, открытие также намекает на будущие инновации. Шумовые вибрации широко распространены в повседневной жизни. Использование этой случайной энергии для извлечения регулируемого движения может вдохновить на создание новых технологий по сбору энергии. Это также может найти применение в реальном мире, например, для питания небольших устройств или датчиков без необходимости в внешних источниках энергии.
Более того, исследование имеет большое значение для физики. Показывая, что симметрия сама по себе может спонтанно нарушаться для создания движения, оно углубляет наше понимание неравновесных систем и активной материи.
В будущем исследователи считают, что идеи, полученные в результате их исследования, могут проложить путь к инновационным технологиям — помогая инженерам проектировать системы, которые извлекают полезную работу из повсеместного фонового шума в различных масштабах.
«В целом, наше исследование подчёркивает универсальный научный принцип, согласно которому даже без внешнего контроля порядок может возникнуть из хаоса», — заключает профессор Шиои.
Предоставлено Университетом Досиша.