Optyczne siły Bernoulliego mogą sterować obiektami skąpanymi w świetle, mówią teoretycy

Jeśli nigdy nie słyszałeś o siłach Bernoulliego, z pewnością ich doświadczyłeś. Są to siły, które utrzymują samolot w powietrzu, wciągają paliwo do gaźnika twojego samochodu i powodują, że wirujące piłki tenisowe skręcają w zakręt.

Jej nazwa pochodzi od XVIII-wiecznego szwajcarskiego naukowca Daniela Bernoulliego, który odkrył, że płyn płynący z dużą prędkością ma niższe ciśnienie niż płyn płynący z mniejszą prędkością. Kiedy różnica ciśnień występuje po przeciwnych stronach tego samego obiektu, takiego jak skrzydło, działa siła, która popycha skrzydło z obszaru wysokiego ciśnienia w kierunku obszaru niskiego ciśnienia.

To rodzi interesujące pytanie. Czy obiekty znajdujące się w niekonwencjonalnym przepływie przypominającym płyn, jak wiązka światła, mogą również doświadczać sił Bernoulliego? Dziś Ramis Movassagh z Northeastern University w Bostonie i Steven Johnson z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge twierdzą, że mogą i zbadać warunki, w których może się to zdarzyć.

Ci faceci rozpoczynają swoją analizę od wyobrażenia sobie obracającego się cylindra dielektrycznego, podobnego do szklanego pręta, skąpanego w strumieniu fotonów. W tej analogii strumień fotonów jest płynem, a szklany pręt jest odpowiednikiem wirującej piłki tenisowej.

Podczas gry w tenisa wirująca piłka poruszająca się w powietrzu zmienia kierunek, ponieważ nacisk po jednej stronie jest większy niż po drugiej. Dzieje się tak, ponieważ po jednej stronie wirującej kuli jej powierzchnia porusza się w strumieniu powietrza, ale z drugiej strony oddala się od niej. To powoduje różnicę w ciśnieniu, tak jak przewiduje Bernoulli.

Movassagh i Johnson pytają, czy podobna różnica ciśnień może powstać dla wirującego obiektu w wiązce światła. Dochodzą do wniosku, że tak jest, ale tylko wtedy, gdy przedmiot jest wykonany z materiału dielektrycznego, takiego jak szkło lub plastik.

W dielektryku zewnętrzne pole elektromagnetyczne może wniknąć w materiał na niewielką głębokość. Kiedy materiał się obraca, ta interakcja generuje siłę. Movassagh i Johnson obliczają, że siła ta jest w tym samym kierunku co siła Bernoulliego, gdy podatność elektryczna materiału jest dodatnia, a w przeciwnym kierunku, gdy podatność elektryczna jest ujemna.

Interesującym następstwem jest to, że siła jest równa zeru, gdy materiał jest przewodnikiem. To ma sens. Ponieważ doskonały przewodnik nie pozwala na penetrację pól elektromagnetycznych, pola nie mogą zauważyć, że wiruje lub jest ciągnięty przez poruszającą się materię, mówią Movassagh i Johnson.

Jest jednak jedno zastrzeżenie: ta nowa optyczna siła Bernoulliego jest niewielka. Zwracają jednak uwagę, że powinno być możliwe jego powiększenie poprzez wykorzystanie efektów rezonansowych. Można tego dokonać za pomocą wielowarstwowych kulek, które mogą zatrzymywać światło, lub materiałów, w których interakcja ze światłem jest wzmacniana na przykład przez plazmony powierzchniowe.

Nikt nigdy nie widział optycznej siły Bernoulliego, ale przy takim powiększeniu może być możliwe zobaczenie jej w laboratorium w stosunkowo niedalekiej przyszłości.

Jedynym pytaniem będzie wtedy, do czego można wykorzystać siły optyczne Bernoulliego. Odpowiedzi proszę w komentarzu poniżej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1305.0317 : Optyczne Siły Bernoulliego

ukryć