Австралійські фізики досліджували рух крапель, які утворюються над поверхнею вібруючої силіконової олії, і виявили кілька нових типів крапель і колективного руху. На відміну від попередніх експериментів вчені додали до основної частоти коливань обертон. За словами дослідників, така гідродинамічна система дозволяє моделювати квантовомеханієські процеси. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Якщо кинути краплю рідини в чашку з тією ж самою рідиною, крапля практично відразу потоне. Якщо ж змусити рідину в чашці вібрувати з певною частотою, «крапля-потопельник» перетвориться на «краплю-ходока» (walker), яка бігає по поверхні, немов водомірка. Для цього частота вібрацій повинна бути трохи нижче порогу нестабільності, вище якого поверхня рідини покривається так званим горобцем Фарадея - системою стоячих хвиль, що пронизують поверхню. Власне, «ходоки» переміщуються саме за рахунок цих хвиль, які збуджуються при падінні краплі, прискорюють її, а потім загасають через нестачу закачуваної в систему енергії. Чим ближче частота коливань до порогової частоти, тим менше цей недолік, тим довше живуть збуджені хвилі і тим складніше стає рух крапель.
Найкраще поведінку «крапель-ходоків» вивчено на прикладі силіконової олії, для якої критична частота коливань становить приблизно 80 Герц. У цьому випадку характерний розмір «ходока» становить трохи менше 0,5 міліметра, а характерна швидкість руху - 15 міліметрів на секунду. Проте навіть у цьому випадку всі дослідження обмежувалися тільки однією «майже критичною» частотою збуджень, хоча в повноцінній рябі Фарадея обертони представлені нарівні з основним тоном.
Група дослідників під керівництвом Тапіо Сімула (Tapio Simce) вперше досліджувала ситуацію, в якій поверхня рідини одночасно збуджується на «майже критичній» і «майже напівкритичній» частоті. Як і в більшості експериментів з «ходоками», вчені використовували як рідину силіконову олію з в'язкістю близько 0,2 стокса. Рідину фізики наливали в ємність діаметром 18 сантиметрів і глибиною 8 міліметрів, а коливання збуджували за допомогою сабвуфера. В основній серії дослідів частота збуджень становила = 80 Герц і/2 = 40 Герц. Траєкторії крапель вчені записували на дві камери: одна камера стежила за горизонтальним рухом (частота 4 кадри на секунду), а друга камера спостерігала за стрибками (частота 4000 кадрів на секунду). Для зручності дослідники підсвічували краплі за допомогою світлодіодів.
В результаті вчені відкрили новий тип крапель, які були в три рази товщі (радіус до 1,4 міліметра) і в три рази швидше звичайних «ходоків» (швидкість до 50 міліметрів в секунду). Ці краплі фізики назвали «суперходоками» (superwalkers). Крім того, особливо великі «суперходоки» були настільки важкими, що постійно деформувалися і не могли відірватися від поверхні рідини. Оскільки величезна інерція таких крапель істотно позначалася на їх взаємодії, вчені виділили їх в окрему категорію і назвали «гігантськими суперходоками» (jumbo superwalkers).
Більше того, на відміну від звичайних «ходоків» «суперходоки» продемонстрували велику кількість колективних явищ. Це багатство вчені пов'язують з тим, що «суперходоки» більш охоче взаємодіють один з одним. По-перше, в цьому режимі краплі зв'язуються в пари, розділені дуже тонким прошарком повітря (малюнок a). По-друге, крапля може переслідувати іншу краплю з постійною швидкістю, якщо їх розміри збігаються (малюнок b), або обертатися навколо більшої краплі (малюнок c). По-третє, краплі можуть слідувати паралельними синхронно осцилюючими траєкторіями (малюнок e). По-четверте, важка нерухома крапля може утворити слабо пов'язану пару з легкою краплею, причому напрямок обертання крапель буде час від часу звертатися (малюнок d). У деяких випадках такий зв'язок стабілізує важку краплю і заважає їй потонути. По-п'яте, безліч близько розташованих «суперходоків» може об'єднатися в кристал, який, у свою чергу, можна «розплавити», якщо підвищити амплітуду коливань рідини (малюнки h - k).
Нарешті, фізики виявили ще один цікавий режим, який виникає, якщо трохи «засмутити» частоту обертону - наприклад, знизити її з 40 до 39,5 Герц. У цьому випадку рух крапель чергується з різкими зупинками і довгими періодами спокою. Очевидно, така поведінка виникає через повільну еволюцію різності фаз між збуджуючими коливаннями, викликаної «розладом» системи.
Автори статті зазначають, що «краплі-ходоки» можна використовувати для моделювання складних квантовомеханічних процесів. Зокрема, з їх допомогою можна відтворити квантування орбітального моменту і тунелювання крізь потенційний бар'єр, побачити хвильові властивості частинки і аномальні кореляції між частинками. Схожість між системами вчені списують на взаємодію крапель і породжуваних ними хвиль. Таким чином, робота групи Тапіо Сімула має і прикладний характер, хоча на перший погляд здається виключно розважальною.
Фізиків часто приваблює простота і краса руху крапель, які рухаються по поверхні рідини. Наприклад, у серпні 2016 році французькі фізики досліджували хаотичні стрибки крапель, що випадково утворюються при сплесках силіконової олії, і навчилися звертати такі стрибки в часі. У листопаді 2017 американські дослідники пояснили ефект короткочасної левітації холодної краплі рідини (наприклад, молока), що падає в чашку з гарячою рідиною (щойно звареною кавою). Виявилося, що цей ефект виникає через потоки газу, які збуджуються за рахунок різниці температур у зазорі між краплею і поверхнею. А в лютому 2019 фізики з Франції та Нідерландів побудували «більярд» з чашки рідкого азоту і краплі спирту, а потім пояснили, чому крапля в такому більярді мимоволі прискорюється.