Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Autonomiczne samochody znacznie poprawiają przepustowość dróg
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Virginia Tech wykazali, że lodowy dysk może sam się napędzać na odpowiednio przygotowanej powierzchni, podobnie do kropli wody, na którą działa zjawisko Leidenfrosta. Każdy z nas obserwował, że kropla wody upuszczona na gorącą powierzchnię, odparowuje przez długi czas, poruszając się po powierzchni. Amerykańscy uczeni odkryli, że kawałek lodu może samodzielnie napędzać się na powierzchni o wzorze przypominającym układ rybich ości.
Badaczy z Virginia Tech zainspirowała rozwiązana ledwie przed 11 laty zagadka wędrujących głazów z Racetrack Playa z kalifornijskiej Doliny Śmierci. Tam kry, przesuwające się pod wpływem wiatru, przesuwają kamienie. Jonathan Boreyko postanowił stworzyć takie warunki, by lód samodzielnie się przesuwał. Wraz z zespołem przez trzy lata prowadził eksperymenty. Gdy zaś udało się doprowadzić do samodzielnego ruchu lodowego dysku, przez kolejne dwa lata naukowcy tworzyli model wyjaśniający obserwowane zjawisko.
Kluczem do sukcesu była aluminiowa powierzchnia ponacinana we wzór rybich ości. Wystarczy, że powierzchnia zostanie rozgrzana powyżej temperatury topnienia – nie jest więc potrzebna, jak w zjawisku Leidenfrosta, bardzo wysoka temperatura – by lód zaczął się poruszać. Jest on napędzany przez kierunkowy przepływ wody w nacięciach na powierzchni. Początkowo kawałek lodu rusza bardzo wolno, by gwałtownie przyspieszyć.
Niezwykle interesujące okazało się spryskanie powierzchni aluminium cieczą hydrofobową. Naukowcy spodziewali się, że spowoduje to przyspieszenie lodu. Tymczasem dysk w ogóle się nie przesunął. To pozwoliło badaczom wyjaśnić obserwowane zjawisko. Doszli do wniosku, że na powierzchni pokrytej płynem hydrofobowym woda z roztapiającego się lodu zostaje ściśnięta i lodowy dysk utyka na krawędziach wyżłobień. Woda ciągle płynie kanalikami, ale lód nie jest już w stanie się na niej unosić.
Bez powłoki hydrofobowej woda po jednej stronie lodowego dysku tworzy kałużę, jej obecność powoduje nierównowagę napięcia powierzchniowego po obu stronach lodu, co powoduje, że zaczyna się on poruszać.
Boreyko uważa, że odkryte przezeń zjawisko być może posłuży do celów praktycznych. Wyobraźmy sobie, że wzór na powierzchni tworzy okręgi, a nie proste linie. Wówczas roztapiający się obiekt kręciłby się w kółko. A teram wyobraźmy sobie, że na powierzchni lodu umieszczamy magnesy. One też by się obracały, co można by wykorzystać do produkcji energii, stwierdza uczony.
Badania zostały opublikowane na łamach ACS Applied Materials & Interfaces.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego nagrali spontaniczne ruchy noworodków i niemowląt i połączyli je z komputerowym modelem mięśniowo-szkieletowym. W ten sposób przeanalizowali sposób komunikacji między mięśniami oraz odczucia w całym organizmie małego człowieka. Odkryli w tych spontanicznych ruchach wzorce interakcji między mięśniami i stwierdzili, że takie spontaniczne poruszanie się przygotowuje dziecko do wykonywania sekwencyjnych celowych ruchów w przyszłości.
Badania te pomogą lepiej nam zrozumieć zarówno rozwój sensomotoryczny człowieka, jego ewolucję, jak i wcześniej diagnozować zaburzenia rozwojowe.
Dzieci poruszają się już w łonie matki, wykonując pozornie bezcelowe ruchy, do których dochodzi bez żadnej stymulacji zewnętrznej. Jeśli udałoby się lepiej je rozumieć i opisać rolę, jaką odgrywają w rozwoju człowieka, można by na bardzo wczesnym etapie wychwytywać sygnały takich chorób jak na przykład dziecięce porażenie mózgowe.
Dotychczas badania nad rozwojem sensomotorycznym skupiały się na właściwościach kinetycznych, aktywności poszczególnych mięśni i stawów. Japońscy naukowcy przyjrzeli się aktywności całego ciała oraz przesyłanych przez nie sygnałów. Połączenie modelu mięśniowo-szkieletowy z wiedzą z zakresu neurologii pozwoliło zauważyć, że te spontaniczne ruchy, które wydają się być bezcelowe, przyczyniają się do koordynacji rozwoju sensomotorycznego.
Naukowcy najpierw nagrywali ruchy stawów u 12 noworodków młodszych niż 10 dni oraz u 10 niemowląt w wieku około 3 miesięcy. Następnie za pomocą modelu komputerowego badali aktywność mięśni i przepływ impulsów nerwowych w skali całego organizmu. Następnie za pomocą algorytmów oszacowali przebieg interakcji pomiędzy impulsami a aktywnością mięśni. Ze zdumieniem zauważyli, że ruchy dzieci były bardziej przypadkowe, niż dotychczas sądzono.
Byliśmy zaskoczeni tym, że podczas spontanicznego poruszania się, ruchy niemowląt „błądziły”, a dzieci wchodziły w różne interakcje sensomotoryczne. Nazwaliśmy to nawet „sensomotorycznym błądzeniem”. Obecnie przyjmuje się, że rozwój układu sensomotorycznego zależy od pojawiania się powtarzalnych interakcji, zatem im częściej wykonuje się dany ruch, tym lepiej jest on zapamiętywany. Jednak uzyskane przez nas wyniki wskazują, że niemowlęta rozwijają swój układ sensomotoryczny bazując na własnej ciekawości i eksploatacji świata, więc nie powtarzają po prostu tych samych działań, ale korzystają z szerokiego zestawu akcji. Ponadto nasze badania wskazują na istnienie związku pomiędzy wczesnymi spontanicznymi ruchami a spontaniczną aktywnością neuronów, mówi profesor Hoshinori Kanazawa.
Badania wspierają hipotezę mówiącą, że noworodki i niemowlęta uczą się synchronizowania mięśni i impulsów nerwowych poprzez ruchy całego ciała, bez założonego z góry celu czy planu. W niedalekiej przyszłości Kanazawa chce zbadać, jak „błądzenie sensomotoryczne” wpływa na rozwój takich umiejętności jak chodzenie czy sięganie po przedmioty oraz na bardziej złożone zachowania i wyższe funkcje poznawcze. Chce dzięki temu poszerzyć wiedzę dotyczącą jego głównego obszaru zainteresowań, czyli rehabilitacji niemowląt.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy od dawna wysuwali hipotezy mówiące, że supermasywne czarne dziury mogą się poruszać niezależnie od swoich galaktyk. Jednak zaobserwowanie tego zjawiska było niezwykle trudne. Do niedawna. Astronomowie z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics poinformowali właśnie na łamach Astrophysical Journal o zdobyciu najsilniejszego dowodu na przemieszczającą się supermasywną czarną dziurę.
Nikt raczej nie wyobraża sobie supermasywnych czarnych dziur, które sobie wędrują. Zwykle uważamy je za byty stacjonarne. Są bowiem zbyt masywne, by można było myśleć o nich jako o czymś, co się porusza. Pomyślcie, o ile trudniej jest wprawić w ruch kulę do kręgli niż piłkę do futbolu. A tym jest to trudniejsze, że ta nasza „kula do kręgli” jest wiele milionów razy bardziej masywna od Słońca. Jej wprawienie w ruch wymaga porządnego kopnięcia, mówi Dominic Pesce, który stał na czele grupy badawczej.
Pesce i jego koledzy przez ostatnich pięć lat mierzyli prędkości supermasywnych czarnych dziur oraz galaktyk. Zadawaliśmy sobie pytanie, czy prędkość czarnych dziur jest taka sama jak galaktyk, w których się one znajdują. Spodziewaliśmy się, że tak właśnie jest. Jeśli byłoby inaczej, oznaczałoby to, że coś zaburzyło czarną dziurę, dodaje uczony.
Naukowcy początkowo przyglądali się 10 odległym galaktykom z supermasywnymi czarnymi dziurami. Szukali dziur, w których dysku akrecyjnym znajduje się woda. Gdy woda porusza się wokół czarnej dziury dochodzi do specyficznego rodzaju emisji radiowej, zwanej maserem. Za pomocą techniki interferometrii wielkobazowej (VLBI) można wykorzystać masery do precyzyjnego pomiaru prędkości czarnej dziury. Dzięki temu naukowcy mogli stwierdzić, że 9 z 10 obserwowanych czarnych dziur jest nieruchomych. Poruszają się dokładnie z tą samą prędkością, co ich galaktyki. Ale jedna z nich ma inną prędkość.
Mowa tutaj o czarnej dziurze o masie około 3 milionów mas Słońca, która znajduje się w centrum galaktyki J0437+2456 i jest położona 230 milionów lat świetlnych od Ziemi. Dzięki dodatkowym badaniom przeprowadzonym za pomocą Obserwatoriów Arecibo oraz Gemini stwierdzono, że wspomniana supermasywna czarna dziura porusza się wewnątrz swojej galaktyki z prędkością około 177 000 kilometrów na godzinę. Nie wiadomo jednak, co wywołało ten ruch.
Uczeni proponują jednak dwie hipotezy. Być może obserwujemy skutek połączenia się dwóch supermasywnych czarnych dziur. W wyniku tego procesu doszło do odrzutu nowej czarnej dziury. Obserwujemy albo ten odrzut, albo jego spowolnienie i powrót dziury do stanu stacjonarnego, mówi Jim Condon z National Radio Astronomy Observatory.
Drugim, bardziej ekscytującym wyjaśnieniem, może być istnienie układu podwójnego czarnych dziur. Pomimo tego, że uważamy, iż takich układów powinno być wiele, dotychczas mamy problemy ze zidentyfikowaniem oczywistych przykładów układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur. Możemy tutaj obserwować, że w galaktyce J0437+2456 znajduje się jedna z czarnych dziur, a drugiej z układu nie widzimy, gdyż nie posiada ona wody w dysku akrecyjnym, zatem nie ma masera, stwierdza Pesce.
Naukowcy twierdzą, że z czasem poznamy przyczynę ruchu czarnej dziury.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z University of Massachusetts Amhers odkryli, w jaki sposób spowodować, by przedmioty poruszały się, korzystając wyłącznie z przepływu energii w otoczeniu. Ich badania mogą przydać się w licznych zastosowaniach – od produkcji zabawek po przemysł wojskowy. Wszędzie tam, gdzie potrzebne jest zapewnienie źródła napędu. Ponadto pozwolą nam w przyszłości więcej dowiedzieć się o tym, jak natura napędza niektóre rodzaje ruchu.
Profesor Al Crosby, student Yongjin Kim oraz Jay Van den Berg z Uniwersytetu Technologicznego w Delft (Holandia) prowadzili bardzo nudny eksperyment. Jego częścią było obserwowanie, jak wysycha kawałek żelu. Naukowcy zauważyli, że gdy długi pasek żelu schnie, tracąc wilgoć wskutek parowania, zaczyna się poruszać. Większość tych ruchów była powolna, jednak od czasu do czasu żel przyspieszał. Te przyspieszenia miały związek z nierównomiernym wysychaniem. Dodatkowe badania ujawniły, że znaczenie ma tutaj kształt i że żelowe paski mogą „zresetować się”, by kontynuować ruch.
Wiele zwierząt i roślin, szczególnie tych małych, korzysta ze specjalnych elementów działających jak sprężyny i zatrzaski, co pozwala im bardzo szybko się poruszać, znacznie szybciej niż zwierzęta korzystające wyłącznie z mięśni. Dobrym przykładem takiego ruchu są takie rośliny jak muchołówki, a w świecie zwierzęcym są to koniki polne i mrówki z rodzaju Odontomachus. Niestabilność to jedna z metod, którą natura wykorzystuje do stworzenia mechanizmu sprężyny i zatrzasku. Coraz częściej wykorzystuje się taki mechanizm by umożliwić szybki ruch małym robotom i innym urządzeniom. Jednak większość z tych mechanizmów potrzebuje silnika lub pomocy ludzkich rąk, by móc kontynuować ruch. Nasze odkrycie pozwala na stworzenie mechanizmów, które nie będą potrzebowały źródła zasilania czy silnika, mówi Crosby.
Naukowcy wyjaśniają, że po zaobserwowaniu poruszających się pasków i zbadaniu podstaw fizyki wysychania żelu, rozpoczęli eksperymenty w celu określenia takich kształtów, które z największym prawdopodobieństwem spowodują, że przedmiot będzie reagował tak, jak się spodziewamy i że będzie poruszał się bez pomocy silnika czy ludzkich dłoni przeprowadzających jakiś rodzaj resetu.
To pokazuje, że różne materiały mogą generować ruch wyłącznie dzięki interakcji z otoczeniem, np. poprzez parowanie. Materiały te mogą być przydatne w tworzeniu nowych robotów, szczególnie małych, w których trudno jest zmieścić silniki, akumulatory czy inne źródła energii, stwierdza profesor Crosby.
Ta praca to część większego multidyscyplinarnego projektu, w ramach którego próbujemy zrozumieć naturalne i sztuczne systemy, pozwalające na stworzenie w przyszłości skalowalnych metod generowania energii na potrzeby ruchu mechanicznego. Szukamy też materiałów i struktur do przechowywania energii. Odkrycie może znaleźć wiele różnych zastosowań w Armii i Departamencie Obrony, mówi doktor Ralph Anthenien, jeden z dyrektorów Army Research Office. Badania Crosby'ego są finansowane przez U.S. Army Combat Capabilities Development Command.
Więcej na ten temat przeczytamy w artykule Autonomous snapping and jumping polymer gels.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, ETH w Zurychu i Uniwersytetu w Cambridge zademonstrowali aktywne mikrocząstki poruszające się w płynie pod wpływem zewnętrznego oświetlenia, których kierunek ruchu zależy od długości fali padającego światła. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature Communications.
Materia aktywna to układy, których elementy mogą samoistnie poruszać się, czerpiąc energię ze swojego otoczenia i przekształcając ją w energię kinetyczną. Badania nad nimi są obecnie bardzo dynamiczną dziedziną fizyki. Obejmują one wiele skal czasowych i przestrzennych, m.in. zachowania ptaków w stadach (np. szpaków tworzących na wieczornym niebie dynamicznie ewoluujące wzory) czy ryb w ławicach (jako forma ochrony przed drapieżnikami), ale również bakterii w biofilmach i innych pływających mikroorganizmów w środowisku wodnym. Przedmiotem tej dziedziny są zarówno badania indywidualnych elementów składowych i zrozumienie mechanizmów konwersji energii, szczegółów oddziaływania i sprzężenia z otoczeniem, tak ważnych np. dla przeżycia mikroorganizmów, jak i prace nad efektami kolektywnymi i emergencją nowych zjawisk w dużych populacjach. Jedne i drugie mogą być z powodzeniem opisywane na różnych poziomach dokładności, począwszy od minimalistycznych modeli gruboziarnistych, a skończywszy na wyrafinowanych symulacjach numerycznych.
Bakterie, algi, plemniki, orzęski i inne jednokomórkowe organizmy stanowią ważną grupę tzw. aktywnych pływaków. Zrozumienie fizycznych podstaw ich dynamiki jest często trudne ze względu na różnorodność, złożoność biologiczną i dużą wrażliwość na warunki otoczenia. Wodny mikroświat rządzi się jednak uniwersalnymi prawami fizyki cieczy, które nakładają ograniczenia na wszystkie organizmy. Ze względu na małe rozmiary – rzędu mikrometrów – i prędkości nieprzekraczające typowo kilkudziesięciu rozmiarów komórki na sekundę, przepływ płynu wokół nich jest zdominowany przez efekty lepkościowe. Oznacza to, że strategie pływania, które sprawdzają się dla rekinów czy pływaków olimpijskich, kompletnie zawodzą dla mikroskopijnych zawodników. Pływanie w skali makro opiera się bowiem na efektach bezwładności i poruszaniu się przez gwałtowny odrzut wody w przeciwnym kierunku. W mikroskali efekty te są pomijalne, a woda zachowuje się jak bardzo lepki płyn, np. miód. Spróbujmy wyobrazić sobie pływanie kraulem w basenie pełnym miodu – spodziewamy się, że będzie to bardzo wycieńczające i mało efektywne. Dlatego mikroorganizmy wykształciły inne strategie pływania, oparte na wykorzystaniu lepkości. Bakterie mają często helikalne wici, którymi "wkręcają" się w płyn niczym korkociągi. Okazuje się, że w lepkim świecie strategia ta pozwala na efektywne poruszanie się komórek. Większe mikroorganizmy, takie jak orzęski (wśród nich znany powszechnie ze szkolnej biologii pantofelek), pokryte są tysiącami krótkich rzęsek. Poruszają one nimi w skoordynowany sposób, przypominający meksykańską falę na stadionie. Mechanizm ten pozwala na transport płynu wzdłuż powierzchni komórki, a w efekcie na ruch komórki w przeciwną stronę do kierunku fal rzęsek na powierzchni.
Zrozumienie tych mechanizmów zainspirowało rozwój syntetycznych mikropływaków. Perspektywa wytwarzania mikrorobotów w laboratorium od dziesięcioleci rozbudza wyobraźnię badaczy ze względu na możliwe zastosowania diagnostyczne, medyczne i przemysłowe, takie jak np. precyzyjny transport leków w ciele pacjenta. Z tego punktu widzenia szczególnie ważna jest nie tylko możliwość produkcji takich pływaków, ale również kontrola kierunku ich ruchu.
Opisany powyżej mechanizm transportu płynu przez orzęski (stosowany również w organizmach wielokomórkowych, np. ludzkich – przez rzęski w płucach albo w drogach rodnych do transportu śluzu), zainspirował opracowanie całej gamy pływaków opartych na zjawisku dyfuzjoforezy. Wyjaśnimy to na przykładzie doświadczenia z tzw. cząstką Janusa (nazwa nawiązuje do rzymskiego boga o dwóch twarzach) – mikroskopijną kulą o jednej półkuli pokrytej złotem, a drugiej pokrytej platyną. Po umieszczeniu jej w roztworze wody utlenionej (H2O2) platyna katalizuje rozkład płynu do wody i tlenu. W efekcie stężenie produktów reakcji po stronie platynowej półkuli jest większe, a zatem pojawia się przepływ płynu wzdłuż powierzchni, zmierzający do wyrównania stężeń. Podobnie jak w przypadku mikroorganizmów, przepływ względem powierzchni wywołuje ruch samej cząstki w przeciwnym kierunku. Mamy zatem do czynienia z układem, który lokalnie przekształca energię chemiczną otoczenia w energię kinetyczną swojego ruchu. Mechanizm opisany powyżej jest uniwersalny – niezbędnym składnikiem jest niejednorodne stężenie produktów reakcji chemicznej na powierzchni. Co więcej, możemy zastąpić go np. niejednorodnym rozkładem temperatury albo rozkładem potencjału elektrostatycznego. Wszystkie te mechanizmy zostały doświadczalnie potwierdzone w układach mikroskopowych. Warto podkreślić, że rozmiary i prędkości takich pływaków są porównywalne z układami biologicznymi, które stanowiły inspirację. A zatem poprzez badania sztucznej materii aktywnej zyskujemy dodatkowe okno, przez które możemy zajrzeć do pływającego mikroświata.
W toku rozwoju badań syntetycznej materii aktywnej zaproponowano wiele lokalnych mechanizmów napędowych. Wyzwaniem pozostaje jednak kontrola ruchu pływaka, pozwalająca "zaprogramować" go tak, by dotarł w określone miejsce i np. dostarczył lek do wybranej części ciała pacjenta. Alternatywnie mógłby on być sterowany przez zewnętrznego operatora za pomocą określonych bodźców. Bodźcem takim może być np. promieniowanie elektromagnetyczne, pole magnetyczne, elektryczne, nierównomierny rozkład temperatur albo sygnał akustyczny.
O jednej z propozycji w tym kierunku traktuje nowa praca badaczy z Wydziału Fizyki UW, ETH w Zurychu i Uniwersytetu w Cambridge, która ukazała się w czasopiśmie Nature Communications. Zaprezentowano w niej zmodyfikowane mikrocząstki Janusa, poruszające się w płynie pod wpływem zewnętrznego oświetlenia, których kierunek ruchu zależy od długości fali padającego światła. Cząstki o średnicy 3,5 mikrona zostały wykonane z anatazu – jednej z odmian polimorficznych dwutlenku tytanu – a jedna ich półkula została pokryta złotem. Oświetlone zielonym światłem poruszają się one w kierunku wyznaczonym przez "złotą czapkę", zaś oświetlone światłem ultrafioletowym – w przeciwnym. Cząstki zostały zsyntetyzowane na ETH w Zurychu przez dr. Hanumanthę Rao Vutukuriego i prof. Jana Vermanta.
Przez zmianę długości fali światła aktywujemy różne mechanizmy katalityczne na powierzchni cząstek, dzięki czemu możemy bardzo szybko i w kontrolowany sposób sterować ich ruchem – mówi dr Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki UW. Ponadto widzimy bardzo ciekawą dynamikę kolektywną: cząstki tego typu potrafią wzajemnie się przyciągać lub odpychać, w zależności od wzajemnej orientacji i koloru oświetlenia. Obserwujemy w ten sposób gwałtowne procesy fuzji i rozszczepienia, których dynamiką możemy sterować.
Opis ruchu w takich układach wymaga uwzględnienia zarówno oddziaływań chemicznych cząstek poprzez niejednorodne pole stężenia reagentów, które powstają na ich powierzchniach, jak również poprzez przepływ płynu wywołany ich obecnością. Model teoretyczny, pozwalający opisać dynamikę nowego typu cząstek aktywnych, został stworzony przez dr. Macieja Lisickiego z UW i prof. Erica Laugę z Uniwersytetu w Cambridge.
Przy mikrometrowych rozmiarach cząstek ciecz wokół nich zachowuje się jak bardzo lepki płyn – mówi Maciej Lisicki. Ich oddziaływania hydrodynamiczne mają przez to bardzo daleki zasięg, a więc ruch każdej cząstki jest odczuwany przez wszystkie inne.
Badacze, którzy od dawna zajmują się zastosowaniami zjawiska dyfuzjoforezy do transportu płynu w mikroskali i tworzenia syntetycznych pływaków, uważają, że nowy, odwracalny i kontrolowany, mechanizm poruszania się cząstek Janusa jest krokiem na drodze do konstrukcji bardziej złożonych mikrorobotów, które będą w stanie transportować ładunki w skali komórkowej. Może on również zostać wykorzystany do kontroli dynamiki kolektywnej w mikroskali. Lokalne oświetlenie może bowiem wywoływać ruch cząstek aktywnych w pożądanym kierunku. W zawiesinach wieloskładnikowych z dodatkiem cząstek aktywnych może to być efektywny mechanizm mieszania, które w mikroskali jest istotnym wyzwaniem technicznym.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.