В нашия ежедневен свят вълните са упорито демократични. Независимо дали става дума за звук на разговор, блясък на електрическа крушка или вълни на океана, вълните са склонни да текат еднакво и в двете посоки. Вие говорите и гласът ви достига до вашия приятел, който стои срещу вас – точно както неговият достига до вас.
Харесва ни по този начин. Но какво ще стане, ако имаме нужда от вълни, за да се движим само в една посока, без смущения, като автомобили по еднопосочна улица?
След 2600 години: Учените най-накрая откриха какво причинява статично електричество
Това е вид контрол, който току-що е постигнал екип от изследователи от Швейцарския технологичен институт. След години усилия те са открили как да насочат звуковите вълни така, че да пътуват напред – но никога назад. Това е постижение, което може да има огромни последици за бъдещите технологии, от комуникационни системи до радари, и те са го направили, без да отслабват силата на звука.
Проблемът с отразените вълни
Идеята за контролиране на разпространението на вълната – насочването ѝ да тече само в една посока например – привлича учените от години. Това е така, защото те биха искали да решават проблеми от реалния свят. В приложения като радар или комуникации отразените вълни могат да причинят смущения, изкривяване на сигнали или намаляване на ефективността.
Преди десет години изследователите успяха да спрат отскачането на звуковите вълни. Но имаше една уловка. Вълните, движещи се напред, отслабнаха в процеса.
И така, група изследователи от Швейцарския технологичен институт се заели директно с проблема и най-накрая намерили решение.
Техният пробив зависи от собствените трептения – циклични движения в система, които се повтарят без външно влияние. Въпреки че тези трептения обикновено са неудобство (и дори опасни, когато причиняват вибрации в двигателите на самолетите), учените разбрали, че можем да ги използваме, като направим еднопосочна улица за звуковите вълни.
Свирки и вълни
Решението е толкова гениално, колкото и просто. Представете си дисковидна кухина, през която се издухва въздух с точната интензивност, за да се създаде свирещ звук. Но това не е обикновена свирка. Вместо да създава стояща вълна, при която звукът отскача напред-назад в пространството, този генерира въртяща се вълна.
Решаващо развитие тласка инженерите към пътуване, по-бързо от светлината
Швейцарските изследователи прекарали години в разработването на механиката на флуидите зад тази въртяща се вълна. След това те добавили три пътеки или вълноводи, подредени в триъгълна схема. Когато звукова вълна навлезе в първия вълновод, тя преминава плавно през циркулационната помпа към втория вълновод. Но ако звукът се опита да влезе през втория вълновод, той не може да се върне обратно. Той е принуден да се отправи към трети, отделен път, като гарантира, че звукът се движи само в една посока.
Екипът направил тестове със звукови вълни с честота от около 800 херца – приблизително височината на високо сопрано. И се получило. Звуковата вълна не само се движела напред, без да се отразява назад, но дори се появила по-силна от преди благодарение на енергийния тласък от собствените трептения на циркулатора.
„Тази концепция за нереципрочно разпространение на вълни с компенсация на загубите е, по наше мнение, важен резултат, който може да бъде прехвърлен и към други системи“, казва Никола Ноайре, професор по горене, акустика и физика на потока..
Възможностите далеч надхвърлят звука. Този вид еднопосочен контрол върху движението на вълните може да промени играта за технологии, които разчитат на електромагнитни вълни – като радарни системи, където прецизността и насочеността са от решаващо значение. Бъдещите комуникационни системи също могат да се възползват от тази новооткрита способност да маршрутизират сигнали без смущения, насочвайки ги ефективно.
Статията на изследователите е публикувана в списанието Nature Communications.
