Sóng dừng đơn độc chẵn (trái) và lẻ (phải). Ảnh: Jean Rajchenbach
Bằng cách rung lắc chính xác một bình chứa nước nông, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy hành trạng sóng trước đây chưa từng trông thấy. Trong một nghiên cứu mới, Jean Rajchenbach, Alphonse Leroux, và Didier Clamond thuộc trường Đại học Nice-Sophia Antipolis ở Nice, Pháp, tường thuật việc quan sát hai loại sóng dừng mới ở trong nước, một trong hai loại đó chưa từng được thấy trước đây trong bất kì môi trường nào.
Trong nghiên cứu của họ, công bố trên số ra mới đây của tạp chí Physical Review Letters, các nhà khoa học giải thích làm thế nào họ khám phá ra những loại sóng mới trên. Họ chứa nước bên trong một tế bào Hele-Shaw, một bình chứa gồm hai bản thủy tinh song song cách nhau bởi một khe hẹp. Trong trường hợp này, hai bản được đặt thẳng đứng. Hai bản rộng 30cm và khe hở giữa chúng chỉ 1,5mm. Nước bên trong sâu khoảng 5cm.
Các nhà nghiên cứu gắn tế bào Hele-Shaw lên một cần rung, làm tế bào và nước bên trong dao động theo phương thẳng đứng. Trong khi điều khiển thận trọng tần số và biên độ dao động, họ ghi lại sự biến dạng bề mặt nước với một camera tốc độ cao.
Khi các nhà nghiên cứu từ từ tăng biên độ dao động, thì sóng dừng hai chiều với biên độ lớn bắt đầu hình thành trên mặt nước. Như các nhà nghiên cứu giải thích, những sóng này được gọi là sóng Faraday, chúng hình thành trên bề mặt của một chất lỏng đang dao động khi tần số dao động vượt quá một giá trị nhất định, và bề mặt trở nên không ổn định.
Các nhà nghiên cứu quan sát thấy hai hình dạng khác nhau của sóng Faraday, một có đối xứng chẵn và một có đối xứng lẻ. Đối xứng chẵn có thể xem là đối xứng “gương” thẳng đứng giữa bên trái và bên phải của sóng. Sự đối xứng lẻ của sóng thứ hai chỉ là gần đúng, vì nửa dưới của sóng không có hình dạng chính xác như nửa trên. Vì các nhà nghiên cứu sử dụng một cần rung ngoài để làm nhiễu loạn bề mặt trong khoảnh khắc, nên họ nghĩ hai dạng sóng khác nhau có khả năng là do chuyển động cần rung.
Sóng dừng chẵn
Sóng dừng lẻ
Khi phân tích những sóng dừng trên, các nhà nghiên cứu nhận thấy sóng chẵn hai chiều có đặc trưng tương tự với đặc trưng của một “dao động đối xứng trục” ba chiều, một loại sóng trước đây đã được quan sát thấy trên bề mặt của một lớp bột mịn đang dao động. Theo các nhà nghiên cứu trên, sóng dừng lẻ trước đây chưa bao giờ được quan sát thấy trong bất kì môi trường nào.
“Những sóng này vừa có tính định vị cao, vừa tĩnh tại”, Rajchenbach nói. “Cho đến nay, có hai loại sóng dừng đơn độc chính đã được mô tả: soliton truyền ('Korteweg de Vries’) và soliton vỏ (mô tả bằng phương trình Schrodinger phi tuyến), gồm một gói sóng lớn bọc lấy một số lượng lớn cung sóng ‘mang’. Những sóng đã quan sát thấy đó thuộc về một họ sóng đơn độc khác”.
Khi thử tìm hiểu làm thế nào những bất ổn định bề mặt có thể làm cho những sóng này hình thành, các nhà nghiên cứu đã gặp phải một số trở ngại do biên độ lớn của sóng, vì các phương trình biên độ tổng quát mô tả sóng với những biên độ nhỏ hơn nhiều. Nhưng nói chung, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng những kiểu sóng mới lạ trên có khả năng phát sinh từ sự chồng lấn của những vùng bằng phẳng và vùng sóng, cả hai đều do những bất ổn định do rung lắc gây ra. Những bất ổn định đó có thể liên quan đến những cơ chế có vai trò nhất định trong những lĩnh vực khác, thí dụ như quang học phi tuyến, hóa học, và sinh học, cũng như trong nghiên cứu sóng biển.
Tham khảo: DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.024502
Nguồn: PhysOrg.com
