يمكن لموجات الاهتزاز التي تتحرك عبر جدران الأنبوب أن تحمل الزخم الزاوي المداري الذي يمكن استخدامه لعدة أغراض ، وفقًا للعمل النظري الجديد.
.jpg)
أظهر الباحثون سابقًا أنه يمكنهم توليد موجات حلزونية مرنة في جدران الأنبوب. الآن ، أظهر نفس الفريق نظريًا أن هذه الموجات تحمل زخمًا زاويًا مداريًا وأنه يمكن استخدامها لإثارة الموجات الصوتية في سائل.
مستوحى من أشعة الضوء ذات الجبهات الموجية الحلزونية ، قام الباحثون مؤخرًا بتوليد موجات ملتوية من الاهتزاز تتحرك عبر مادة صلبة. الآن ، أظهر الفريق نظريًا أن أحد مكونات هذه الموجات له نفس نوع الزخم الزاوي مثل التواء الموجات الضوئية. وجد الفريق أيضًا أن مثل هذه الموجات الملتوية التي تتحرك عبر جدران الأنبوب يمكن أن تثير بشكل تحكم موجات ضغط ملتوية مماثلة في سائل ما. يمكن استخدام هذا التأثير لمراقبة خصائص السوائل أو لاكتشاف الشقوق في الأنابيب.
واجهة موجة شعاع ضوء ملتوية حلزونية مثل المفتاح. يحمل هذا المفتاح ما يسمى بالزخم الزاوي المداري (OAM) ، وهو الزخم الدوراني حول محور اللولب. تعتمد كمية OAM التي تحملها الحزمة على شد الالتواء. يمكن للباحثين ضبط هذا الضغط ، مما يسمح لهم باستخدام OAM كمعامل قابل للضبط. على سبيل المثال ، قد يتم استخدام الضغط لتشفير المعلومات في جهاز كمبيوتر قائم على البصريات.
قفز جريجوري تشابلان Gregory Chaplain من جامعة إكستر بالمملكة المتحدة وزملاؤه لتحقيق هذه النجاحات ، وقرروا استكشاف ما إذا كان يمكن حمل OAM بواسطة موجات أخرى ومن المحتمل استخدامها في التطبيقات. نظر الفريق إلى نوع الموجات التي تنتقل عبر مادة صلبة بناءً على حركة اهتزاز المادة ، والتي تسمى الموجات المرنة. يقول قسيس أن هذا الاتجاه البحثي قد تم إهماله إلى حد كبير. يقول: "نظرت دراسات أخرى في الزخم الزاوي المغزلي للموجات المرنة". "على حد علمنا ، لم يركز أي شخص آخر على الزخم الزاوي المداري - الكلاسيكي البحت - للموجات المرنة."
.jpg)
رسم تخطيطي للوح الطور اللولبي المرن ، وهو هيكل ، عند إدخاله في أنبوب ، يحول الموجات المرنة الطولية داخل جدران الأنبوب إلى موجات حلزونية مرنة.
في التجارب التي أجريت على أنبوب الألمنيوم ، أظهر الفريق مؤخرًا أن الموجات المرنة الطولية ، التي تنتقل على طول الأنبوب وتهتز بالتوازي مع محور الأنبوب ، يمكن تحويلها إلى موجات انثناء ، والتي تلتف حول الأنبوب بواجهات موجية حلزونية . تحتوي هذه الموجات على مكون طولي ومكون عرضي أو قص ، حيث تكون الاهتزازات متعامدة مع محور الأنبوب. كانت الحيلة في تحويل الموجات الطولية إلى موجات الانحناء هي استبدال جزء قصير من الأنبوب بحلقة منقوشة من مادة مختلفة. إحدى حواف هذه الحلقة ناعمة ، في حين أن الحافة الأخرى بها خطوات منحنية مقطوعة بداخلها ، بحيث لا تكون الحدود مع بقية الأنبوب دائرة بل نمط مسنن. تمنح الخطوات مقدمة موجة الحادث بمظهر حلزوني.
لكن هذا العمل التجريبي السابق لم يحدد ما إذا كانت هذه الموجات تحمل OAM. الآن قام الباحثون بتحليل النظام نظريًا وأظهروا أن المكون الطولي لهذه الموجات المرنة اللولبية يحمل OAM محدد جيدًا. بعد ذلك ، تخيل الفريق غمر الطرف البعيد من الأنبوب في حمام مائع ونظر في كيفية انتقال هذه الموجات إلى السائل. أظهرت عمليات المحاكاة أن الموجات المرنة تثير موجات الضغط التي لها أيضًا واجهات موجة حلزونية.
يقول شابلان: "إن موجات الضغط مع OAM هي جزء أساسي من الملاقط الصوتية". وهو يعتقد أن طريقة توليد موجات الضغط هذه يمكن أن تستخدم في معالجة الأجسام دون المليمترية في الأنظمة البيولوجية. يقول إن إحداث موجات الانحناء في الأنبوب يمكن أن يكون له أيضًا إمكانية في الكشف غير المدمر عن الشقوق في الأنبوب والتي يتم توجيهها بالتوازي مع محور الأنبوب. تتفاعل مثل هذه الشقوق مع OAM ، وتغير خصائص الأمواج.
وجد تشابلن وزملاؤه "نظامًا جديدًا للـ OAM" ، على حد قول مايلز بادجيت ، عالِم الفيزياء البصرية بجامعة جلاسكو بالمملكة المتحدة. "هذا العمل هو المرة الأولى التي أرى فيها أي شخص يفكر في الاقتران الميكانيكي بين مادة صلبة ومائع يتضمن هيكلة طورية صريحة - وبالتأكيد المرة الأولى التي يفكر فيها أي شخص في الزخم الزاوي."
يتردد صدى هذا الشعور لدى إليونورا توبالدي ، مهندسة ميكانيكية في جامعة ميريلاند تصف النتائج الجديدة بأنها "مثيرة للغاية". وتقول إن "تسخير الحركة الانضغاطية في الأنبوب هي استراتيجية ذكية لتوليد موجات ضغط متصاعدة في السائل باستمرار." يعتقد توبالدي أنه يمكن تصميم دوائر موائع جزيئية جديدة ودوائر قائمة على الموجة للاستفادة من OAM في السائل.
المصدر