Физики разогнали «спиннеры» до миллиарда оборотов в секунду

Две команды физиков независимо разогнали с помощью лазеров нанометровые «спиннеры» до скорости порядка одного миллиарда оборотов в секунду — самой высокой скорости вращения, полученной в лаборатории. Первая группа из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) заставляла вращаться наночастицу кремнезема, а вторая группа, состоящая из китайских и американских исследователей, использовала в качестве «спиннера» наногантелю. Работа ученых поможет лучше понять такие тонкие эффекты, как вращение Казимира, связанное с квантовыми флуктуациями вакуума. Статьи опубликованы в Physical Review Letters [1, 2], кратко о них сообщает Physics, препринты работ выложены на сайте arXiv.org [1, 2].

Скорость вращения любого объекта ограничена пределом его прочности. Чем быстрее вращается объект, тем большую скорость развивают его частицы и тем большая сила нужна, чтобы заставлять их повернуть и удерживать тело в целости. Другими словами, при увеличении скорости растет центробежная сила, которая стремится «разорвать» тело. Впрочем, называть центробежную силу «силой» не совсем правильно, поскольку она возникает только в неинерциальной системе отсчета (подробнее о ее природе можно прочитать в этой заметке).

Заметнее всего действие этой «фиктивной силы» проявляется в точках, наиболее удаленных от центра вращения объекта: F = mω²r, где m — масса точки, r — ее расстояние до центра, а ω — угловая скорость. Из-за этого частота вращения макроскопических объектов редко превышает тысячу оборотов в секунду. Например, частота вала газогенератора двигателя PW207K вертолета «Ансат» может достигать 60000 оборотов в минуту (1000 оборотов в секунду), а турбина двигателя CFM56, который устанавливается на самолетах фирм Boeing и Airbus, вращается с частотой около 5200 оборотов в минуту (менее 90 оборотов в секунду).

Уменьшая размеры объекта, можно заставить его вращаться гораздо быстрее. Оказывается, что для достижения сверхвысоких скоростей удобнее всего использовать частицы размером порядка ста нанометров, подвешенные в воздухе с помощью лазерного излучения (так называемая оптическая ловушка). Направляя на связанную частицу свет с круговой поляризацией, можно передать ей угловой момент и увеличить ее угловую скорость (эффект Садовского). Таким образом можно избежать механического трения, которое поглощает энергию и мешает разгонять частицу, а также контролировать центр вращения с точностью, сравнимой с теоретическим пределом.

К сожалению, на высоких скоростях начинает сказываться трение наночастицы о воздух, которое также уносит энергию частицы. Бороться с этим трением можно только откачивая установку до сверхнизких давлений, создавая в ней вакуум. Из-за подобных технических сложностей ученым не удавалось достичь в лаборатории скоростей вращения, превышающих по порядку десяти мегагерц. В новых работах ученым удалось преодолеть это препятствие, подтвердить теоретические предсказания и достичь частоты вращения порядка одного гигагерца.

Первая группа исследователей под руководством Лукаса Новотного (Lukas Novotny), использовала в качестве «спиннера» частицу кремнезема (проще говоря, обычного стекла) приближенно сферической формы и диаметром около ста нанометров. Для уменьшения потерь физики откачали установку до давления порядка 10⁻⁸ атмосфер и увеличили длину волны лазера, который использовался для разгона частицы, до 1565 нанометров. Это позволило уменьшить скорость нагрева частицы — в предыдущих экспериментах такой нагрев заставлял частицу «выскакивать» из ловушки и мешал разогнать ее выше определенного предела.

В результате ученые обнаружили, что с уменьшением давления при фиксированной мощности лазера и увеличении мощности при фиксированном давлении угловая скорость вращения частицы линейно растет, причем экспериментальная зависимость хорошо согласуется с теорией. Максимальная частота, полученная в этом эксперименте, достигала 1,03 гигагерц, что отвечало скорость краев частицы порядка 300 метров в секунду, центробежному ускорению порядка 10¹² метров на секунду в квадрате и напряжению порядка 0,2 гигапаскаль. Для сравнения, критическое напряжение, при котором частица кремнезема разрывается, составляет примерно 10 гигапаскаль.

Вторая группа, под руководством Тунцана Ли (Tongcang Li), заставляла вращаться наногантели — связанные друг с другом частицы кремнезема. Чтобы изготовить такие гантели, ученые «растворяли» наночастицы кремнезема в воде и получали коллоидную суспензию, а затем с помощью ультразвукового небулайзера заставляли воду формировать микрометровые капли, взвешенные в воздухе. В некоторых из капель находилось две сферические частицы кремнезема; после испарения воды частицы оставались связаны в наногантели, которые ученые использовали в дальнейших опытах. Отношение диаметра шаров к расстоянию между ними для всех полученных наногантелей было примерно равно двум.

Так же как и группа швейцарских ученых, группа под руководством Тунцана Ли помещала наногантели в оптическую ловушку, откачивала установку до давления порядка 10⁻⁷ атмосфер и светила на частицы лазером с круговой поляризацией и длиной волны около 1550 нанометров. Аналогично швейцарцам, физики получили, что скорость вращения линейно растет при уменьшении давления, а предельная частота вращения в этом случае составила примерно 1,1 гигагерц — при бо́льших скоростях гантель разрывалась под действием центробежной силы.

Тем не менее, конструкция установки, аналогичная опыту Кавендиша, в котором проволока крутильных весов заменена на лазерное излучение, позволяет провести на ней качественно другие эксперименты. Если заменить в ней свет с круговой поляризацией на линейно поляризованный свет, наногантели будут колебаться, а не крутиться, что позволит в будущем измерить вращательный эффект Казимира (Casimir torque) и исследовать природу квантовой гравитации.

Впрочем, ученые признаются, что изначально они не ставили перед собой практических целей. Например, соавтор первой работы, Рене Рейманн (René Reimann), говорит: «Если честно, это просто было очень круто — иметь механический объект с самой высокой скоростью вращения в мире прямо перед нами». Тем не менее, работа ученых может пригодиться при изучении межзвездной пыли и вакуумного трения, исследовании поведения материалов и взаимосвязи между вращательными и поступательными степенями свободы в экстремальных условиях.

В ноябре прошлого года американские исследователи-нанотехнологи изготовили с помощью фотолитографии самый маленький в мире фиджет-спиннер, размер которого составил примерно сто микрометров.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

5 ответов, которые вы должны знать —

By Рабия Халид

Обороты в минуту (обороты в минуту) и угловая скорость определяют скорость вращающегося тела. Давайте обсудим, как изменить обороты на угловую скорость.

Преобразование оборотов в угловую скорость или наоборот может быть выполнено просто для определения скорости объекта. В физике или машиностроении обе эти концепции определяют, насколько быстро частица или объект вращаются вокруг своей фиксированной оси или по круговой траектории.  

Так же, как линейное движение, есть и вращательное движение. Быстрота вращающегося тела определяется его угловой скоростью. Например, колесо движущегося автомобиля вращается вокруг неподвижной оси и по круговой траектории. Благодаря этому движению угол продолжает изменяться, и угловая скорость возникает. 

Изображение Фото: DNET на основе растровой версии, выпущенной под GFDL, Угловая скорость, CC BY-SA 3.0

Угловая скорость или скорость вращающегося тела определяет, насколько быстро происходит вращение по круговой траектории. Его единица равна радианам в секунду. Полный круг имеет длину 360°, поэтому, если частица совершает 1 полный оборот за 1 секунду, то ее угловая скорость будет равна 360 градусам в секунду. В радианах на секунду угловая скорость будет равняться 2π радианам в секунду, так как 360° равно 2π радианам. 

Число оборотов в минуту (оборотов в минуту) также определяет, насколько быстро тело вращается. 1 полный оборот объекта составляет 1 оборот. Скорость объекта становится совершенными оборотами в минуту.   

Мы можем преобразовать обороты в угловую скорость всего за несколько простых шагов. Стандартная единица угловой составляющей скорости — радиан в секунду. Поэтому для преобразования количество оборотов в минуту необходимо изменить на радианы в секунду. 

1 полный оборот, совершенный вращающимися объектами, равен 360 °. А 360 ° радиан равняется 2π радиан. Следовательно, 1 оборот равен 2π радианам;

1 оборот = 2π радиан

Кроме того, мы знаем, что 1 мин = 60 секунд. 

Следовательно, обороты до угловой скорости становятся;

1 оборот/1минута=2π радиан/60 секунд

Таким образом, мы имеем;

1 об/мин=2π/60 рад.с^-1

Соотношение между оборотами в минуту и ​​угловой скоростью становится; 

ω=2π/60 об/мин

Например, прялка вращается со скоростью 300 об / мин. Мы можем найти угловую скорость как; 

Первый шаг — перевести количество оборотов в радианы. 

1 оборот = 2π

300 оборотов = 300 x 2π = 600 π

Второй шаг — перевести минуты в секунды.

1 минута = 60 секунд

Теперь угловая скорость будет

ω=радиан/секунду

ω=600π/60

ω=10рад.с^-1

Предположим, велосипедная шина диаметром 20 дюймов совершает 420 оборотов за 1 минуту. Тогда угловая скорость шин будет;

об/мин=обороты/время

ω=2π/60*об/мин

ω=2π/60*420

ω=4πрад.с^-1

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Объясните угловую скорость на примере. 

Изменение угла вращающегося тела составляет его угловую скорость. 

Предположим, вращается прялка. При этом он будет двигаться по круговой траектории. Теперь он движется из точки А в точку В, делая угол тета за t секунд. Следовательно, угловая скорость колеса будет равна ω=θ/т . Единица угловой скорости — радиан в секунду.

Является ли угловая скорость векторной величиной?

Угловая скорость равна векторное количество с величиной и направлением. Направление угловой скорости действует вдоль оси вращения тела. 

Что означает обороты? 

Обороты обозначают оборот в минуту. Для вращающегося тела количество оборотов, совершаемых за одну минуту, определяет его скорость. 

Какова угловая скорость секундной стрелки часов? 

Секундная стрелка часов — это основной пример угловой скорости.

Секундная стрелка часов совершает полный оборот за одну минуту. Мы знаем, что 1 оборот равен 2π радиан, а 1 минута равна 60 секундам. Следовательно, угловая скорость секундной стрелки равна:

ω=2π/60

ω=π/30

ω=0.105рад.с^-1

Как преобразовать обороты в угловую скорость? 

Число оборотов в минуту можно преобразовать в угловую скорость за несколько простых шагов. 

Обороты — это количество оборотов в минуту. 1 оборот равен 360 °, а 360 ° равняется 2π радианам. Поэтому у нас есть;

1 оборот = 2π радиан

Во-вторых, 1 минута равна 60 секундам.  

Таким образом, мы имеем; 

1 об/мин=2π/60 рад.с^-1

ω=2π/60*об/мин

оборотов в секунду. Таблица преобразования /
Конвертер угловой скорости, оборот

оборот в секунду. Таблица преобразования /
Конвертер угловой скорости, Обороты

RU
ЕС
ПТ
RU
FR

К сожалению… JavaScript отсутствует

К сожалению, ваш браузер не поддерживает JavaScript
что необходимо для работы преобразователя.

Убедитесь, что JavaScript не отключен в
настройки вашего браузера. В противном случае этот сайт не будет работать
для тебя.

оборотов в секунду. Таблица преобразования

Преобразование легко: Нужна помощь? x Этот конвертер очень прост. Действительно. 1 Это — страница перевода единицы «Оборот в секунду (Оборотов)». Чтобы переключить блок, просто найдите нужный на странице. и щелкните по нему. Вы также можете перейти на универсальную страницу конвертации. 2 Введите значение единицы (Оборотов в секунду), которое вы хотите пересчитать. Затем нажмите Кнопка Преобразовать Меня . Ваше значение мгновенно преобразуется во все другие единицы измерения на странице. 3 Теперь найдите нужную единицу измерения и получите результат преобразования. рядом с ним. Это твой ответ.

Введите значение единицы измерения. Коснитесь кнопки «Конвертировать меня». Получите мгновенные результаты.

? Настройки преобразования:

x

Объяснение настроек преобразования

Прежде всего, вам не нужно изменять какие-либо настройки, чтобы использовать
преобразователь. Это абсолютно необязательно.

Количество значащих цифр

Вам нужны округленные цифры или научно точные?
Для повседневных преобразований мы рекомендуем выбирать 3 или 4 значащие цифры.
Если вам нужна максимальная точность, установите число 9

Разделитель групп цифр

Выберите, как вы хотите, чтобы ваши группы цифр
разделенные длинными числами:

9,0016 5,7034 9,70347 32

• Значимые фигуры:
  1  23456789
• Разделитель групп цифр:
  нет  пробел  запятая  точка  

Ваше значение (оборот в секунду):

» показать »

» скрыть »

Революция

Единицы:

оборот в неделю
/
оборот в день
/
Оборот в час
/
оборотов в минуту
/

» показать »

» скрыть »

Степень

Единицы:

Степень в неделю
/
Градус в день
/
Градус в час
/
Градус в минуту
/
Градусов в секунду

» показать »

» скрыть »

Радиан

Единицей угловой скорости в системе СИ является радиан в секунду.

Единицы:

Радиан в неделю
/
Радиан в день
/
Радиан в час
/
Радиан в минуту
/
Радиан в секунду

Не нашли единицу измерения?

Попробуйте выполнить поиск:

Другие варианты:

Проверьте список всех поддерживаемых единиц

Задайте свой вопрос на нашей странице facebook

< Вернуться в меню всех конвертеров

Надеюсь, вы сделали все свои преобразования
и наслаждался Convert-me.Com. Приезжайте к нам
вскоре!

!
Преобразование является приблизительным.
Либо единица измерения не имеет точного значения,
, либо точное значение неизвестно.

?
Это число? Извините, не могу разобрать.

(?)
Извините, мы не знаем этого вещества. Пожалуйста, выберите один из списка.

***

Пожалуйста, выберите вещество.
Влияет на результаты конвертации.

Подсказка: Не можете понять, где искать ваше устройство? Попробуйте найти название устройства. Поле поиска находится вверху страницы.

Нашли ошибку? Хотите предложить больше конверсий? Свяжитесь с нами на Facebook.

Нравится convert-me.com и хотите помочь? Мы ценим это! Давай, расскажи о нас своим друзьям. Используйте кнопки вверху, чтобы поделиться.

Действительно ли convert-me.com существует с 1996 года? На самом деле он еще старше. Мы запустили первую версию нашего онлайн-конвертера единиц измерения в 1995 году. В нем не было JavaScript, и все преобразования приходилось выполнять на сервере. Служба была медленной. Год спустя технология позволила нам создать сервис мгновенной конвертации единиц измерения, который стал прототипом того, что вы видите сейчас.

Для экономии места на странице некоторые блоки могут отображаться свернутыми. Коснитесь заголовка любого блока, чтобы развернуть/свернуть его.

Страница выглядит слишком переполненной с таким количеством единиц? Ненужные блоки можно скрыть, нажав на заголовок блока. Попробуй это. Повторный щелчок развернет блок.

Наша цель — максимально упростить преобразование единиц измерения. Есть идеи, как сделать его лучше? Дайте нам знать

Пожалуйста, подождите пока загружаются коэффициенты пересчета…

Преобразование оборотов в минуту [об/мин] в метры в секунду [м/с] и наоборот |

Онлайн-конвертер

Преобразовать любое значение из / в число оборотов в минуту [об/мин] в метр в секунду [м/с], угловую скорость в линейную скорость. Заполните одно из следующих полей, значения будут преобразованы и обновлены автоматически.

оборотов в минуту [об/мин]

об/мин

радиус [м]

радиус [м]

метр в секунду [м/с]

м/с

9{-1})} $$

См.