Optiske Bernoulli-kræfter kunne styre objekter badet i lys, siger teoretikere

Hvis du aldrig har hørt om Bernoulli-styrker, vil du helt sikkert have oplevet dem. Det er de kræfter, der holder fly i vejret, som trækker brændstof ind i din bils karburator og får spinnende tennisbolde til at svinge.

Det er opkaldt efter den schweiziske videnskabsmand fra det 18. århundrede, Daniel Bernoulli, der opdagede, at en væske, der strømmer med høj hastighed, har et lavere tryk end en væske, der strømmer ved lavere hastighed. Når trykforskellen opstår på modsatte sider af det samme objekt, såsom en vinge, oplever den en kraft, der skubber vingen fra højtryksområdet mod lavtryksområdet.

Det rejser et interessant spørgsmål. Kan genstande, der sidder i en ukonventionel væskelignende strøm, som en lysstråle, også opleve Bernoulli-kræfter? I dag siger Ramis Movassagh ved Northeastern University i Boston og Steven Johnson ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, at de kan og udforske de forhold, hvorunder dette kunne ske.

Disse fyre begynder deres analyse med at forestille sig en roterende dielektrisk cylinder, som en glasstang, badet i en strøm af fotoner. I denne analogi er strømmen af ​​fotoner væsken, og glasstangen svarer til en roterende tennisbold.

I et spil tennis svinger en snurrende bold, der bevæger sig gennem luften, fordi trykket på den ene side af den er større end på den anden. Det er fordi på den ene side af den snurrende kugle bevæger dens overflade sig ind i luftstrømmen, men væk fra den på den anden side. Det forårsager en forskel i tryk, ligesom Bernoulli forudser.

Movassagh og Johnson spørger, om en lignende trykforskel kan opstå for et roterende objekt i en lysstråle. De konkluderer, at det gør det, men kun hvis objektet er lavet af et dielektrisk materiale, såsom glas eller plastik.

I et dielektrikum kan et eksternt elektromagnetisk felt trænge en kort dybde ind i materialet. Når materialet roterer, genererer denne vekselvirkning en kraft. Movassagh og Johnson beregner, at denne kraft er i samme retning som Bernoullis kraft, når materialets elektriske modtagelighed er positiv og i den modsatte retning, når den elektriske modtagelighed er negativ.

En interessant konsekvens er, at kraften er nul, når materialet er en leder. Det giver mening. Fordi en perfekt leder ikke tillader indtrængning af de elektromagnetiske felter, kan felterne ikke bemærke, at den roterer eller blive trukket af det bevægelige stof, siger Movassagh og Johnson.

Der er dog en advarsel: denne nye optiske Bernoulli-kraft er lille. De påpeger dog, at det burde være muligt at forstørre det ved at udnytte resonanseffekter. Dette kunne gøres med flerlagede kugler, der kan fange lys, eller ved at bruge materialer, hvor interaktionen med lys forstærkes af f.eks. overfladeplasmoner.

Ingen har nogensinde set den optiske Bernoulli-kraft, men med denne form for forstørrelse kan det være muligt at se den i laboratoriet i en relativt nær fremtid.

Det eneste spørgsmål vil så være, hvad optiske Bernoulli-kræfter kan bruges til. Svar venligst i kommentarfeltet nedenfor.

Ref: arxiv.org/abs/1305.0317 : Optiske Bernoulli-kræfter

skjule