Znajdź zawartość

O metamateriałach pisaliśmy już wielokrotnie, również w kontekście skonstruowania dzięki nim technologicznej peleryny niewidki. To, co dla światła pozostaje w sferze odległych planów, w dziedzinie dźwięku właśnie osiągnięto, tworząc materiał zapewniający niewidzialność dla sonarów. Sonar to nic innego, jak dźwiękowy radar, korzystający najczęściej z ultradźwięków - woda morska tłumi fale radiowe, zaś dźwięk przenosi się w niej szybko i na duże odległości (dzięki temu, że woda jest bardziej gęsta od powietrza). Wykładowca mechaniki i inżynierii na University of Illinois, Nicholas Fang, skonstruował w swoim laboratorium metamateriał wytłumiający dźwięki w zakresie stosowanym przez sonary. Urządzenie ma postać dysku składającego się z wielu pierścieni o malejącej średnicy. Każdy pierścień to misterna struktura wgłębień „prowadzących" falę dźwiękową, każdy ma inny współczynnik refrakcji. Wgłębienia powodują zmianę prędkości fali akustycznej i spadek jej energii, a całość powoduje uwięzienie dźwięku, wygięcie fali i „owinięcie" jej wokół zewnętrznych krawędzi dysku, niwelując niemal całkowicie odbicie dźwięku. Specyfiką konstrukcji jest to, że działa nie tylko dla ściśle określonej długości fali - jak to jest z metamateriałami dla fal elektromagnetycznych - lecz jest skuteczne dla dość szerokiego przedziału częstotliwości, do 40 do 80 kiloherców, przy czym teoretycznie można uzyskać pokrycie przedziału częstotliwości aż do dziesiątek megaherców. Podwodne testy z sonarem wykazały skuteczność takiego urządzenia maskującego i rozpoczynają się prace nad zastosowaniami praktycznymi. Pierwszym, jakie się narzuca, jest oczywiście zastosowanie militarne celem stworzenia niewykrywalnych okrętów podwodnych. Są jednak i inne: na przykład doskonała izolacja akustyczna, czy polepszenie osiągów ultrasonografii medycznej. Autorzy są też przekonani, że dzięki wynalazkowi będzie można uporać się ze zjawiskiem kawitacji, czyli tworzenia się wirów i hałaśliwych pęcherzyków wokół śrub napędowych statków i okrętów podwodnych.

Gil Iosilevskii i Danny Weihs, naukowcy z Instytutu Technologii Technion w Hajfie, określili największą dopuszczalną dla delfina prędkość. Płynąc blisko powierzchni wody, nie może on przekraczać 54 km/h, ponieważ wywołuje to ból. Z kolei tuńczyki nie mają już tego typu ograniczeń (Journal of the Royal Society Interface). Badacze przeprowadzili wyliczenia, które pozwoliły im skonstruować model ogona i płetw ryb, takich jak wspominany tuńczyk czy makrela, oraz waleni, np. delfina. W ten sposób chcieli wyznaczyć maksymalną osiąganą przez te zwierzęta prędkość. Stwierdzili, że o ile u mniejszych ryb czynnikiem ograniczającym jest siła mięśni, o tyle u większych istot (tuńczyków i delfinów) zależy to chociażby od częstotliwości, z jaką są one w stanie poruszać ogonem, by wprawić się w ruch ku przodowi. Inną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę, jest tzw. kawitacja, czyli tworzenie się wokół ogona mikroskopijnych bąbli. Dzieje się tak, gdyż pod wpływem zmiany ciśnienia zachodzi gwałtowne przejście substancji, tutaj wody, z fazy ciekłej do gazowej. Delfiny, ale nie tylko one, mają w ogonie zakończenia nerwowe, co sprawia, że przy pewnej prędkość kawitacja zaczyna generować nieprzyjemne doznania. Pod wpływem ruchów płetw woda przyspiesza, a więc, zgodnie z zasadą zachowania energii, musi zmaleć ciśnienie statyczne płynu. Im niższe ciśnienie, tym niższa temperatura wrzenia. Po opuszczeniu przez ciecz okolicy przyspieszonego przepływu pęcherzyki gazu zaczynają się zapadać (implozja), a fale uderzeniowe wywołują mikrouszkodzenia. Trudno się dziwić, że dla delfina jest to nieprzyjemne... Z tego powodu nie może on przekroczyć 54 km/h, a byłoby najlepiej, gdyby utrzymał prędkość poniżej 36 km/h. Tuńczyki nie mają w ogonie zakończeń nerwowych i dlatego płynąc, mogą wyjść poza granicę wyznaczoną dla waleni. Nie oznacza to wcale, że nic im się przy tym nie dzieje. Widywano już tuńczyki z uszkodzeniami ciała wywołanymi przez kawitację. Kawitacja nie tylko wyrządza krzywdę, ale i spowalnia tuńczyki. Kiedy bąble implodują, zaburzają bowiem przepływ wody nad płetwami i ogonem. Chcąc rozwinąć większą szybkość, i delfiny, i tuńczyki muszą zejść głębiej, bo tam zmniejsza się kawitacja. Nie wiadomo, jakiego rzędu rekordy prędkości są tam bite.