211service.com
Optische Bernoulli-krachten zouden objecten kunnen sturen die baden in licht, zeggen theoretici
Als je nog nooit van Bernoulli-krachten hebt gehoord, heb je ze zeker ervaren. Dit zijn de krachten die vliegtuigen in de lucht houden, die brandstof in de carburateur van je auto zuigen en ervoor zorgen dat draaiende tennisballen gaan slingeren.
Het is genoemd naar de 18e-eeuwse Zwitserse wetenschapper Daniel Bernoulli die ontdekte dat een vloeistof die met hoge snelheid stroomt een lagere druk heeft dan een vloeistof die met een lagere snelheid stroomt. Wanneer het drukverschil optreedt aan weerszijden van hetzelfde object, zoals een vleugel, ervaart het een kracht die de vleugel van het hogedrukgebied naar het lagedrukgebied duwt.
Dat roept een interessante vraag op. Kunnen objecten die in een onconventionele vloeistofachtige stroom zitten, zoals een lichtstraal, ook Bernoulli-krachten ervaren? Vandaag zeggen Ramis Movassagh van de Northeastern University in Boston en Steven Johnson van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge dat ze dat kunnen en onderzoeken onder welke omstandigheden dit zou kunnen gebeuren.
Deze jongens beginnen hun analyse door zich een roterende diëlektrische cilinder voor te stellen, zoals een glazen staaf, badend in een stroom fotonen. In deze analogie is de stroom fotonen de vloeistof en is de glazen staaf het equivalent van een draaiende tennisbal.
Bij een partijtje tennis zwenkt een draaiende bal die door de lucht beweegt, omdat de druk aan de ene kant groter is dan aan de andere kant. Dat komt omdat aan de ene kant van de draaiende bal het oppervlak in de luchtstroom beweegt, maar aan de andere kant ervan weg. Dat zorgt voor een drukverschil, precies zoals Bernoulli voorspelt.
Movassagh en Johnson vragen of een soortgelijk drukverschil kan optreden voor een ronddraaiend object in een lichtstraal. Ze concluderen dat dit het geval is, maar alleen als het object is gemaakt van een diëlektrisch materiaal, zoals glas of plastic.
In een diëlektricum kan een extern elektromagnetisch veld een korte diepte in het materiaal doordringen. Wanneer het materiaal roteert, genereert deze interactie een kracht. Movassagh en Johnson berekenen dat deze kracht in dezelfde richting is als de kracht van Bernoulli wanneer de elektrische gevoeligheid van het materiaal positief is en in de tegenovergestelde richting wanneer de elektrische gevoeligheid negatief is.
Een interessant gevolg is dat de kracht nul is wanneer het materiaal een geleider is. Dat is logisch. Omdat een perfecte geleider geen penetratie van de elektromagnetische velden toelaat, kunnen de velden niet merken dat hij draait of worden meegesleurd door de bewegende materie, zeggen Movassagh en Johnson.
Er is echter één voorbehoud: deze nieuwe optische Bernoulli-kracht is klein. Ze wijzen er echter op dat het mogelijk moet zijn om het te vergroten door gebruik te maken van resonantie-effecten. Dat kan bijvoorbeeld met meerlaagse bollen die licht kunnen opvangen of door materialen te gebruiken waarin de interactie met licht wordt versterkt door oppervlakteplasmonen.
Niemand heeft ooit de optische Bernoulli-kracht gezien, maar met dit soort vergroting is het misschien mogelijk om het in de relatief nabije toekomst in het laboratorium te zien.
De enige vraag is dan waarvoor optische Bernoulli-krachten kunnen worden gebruikt. Antwoorden alstublieft in het commentaargedeelte hieronder.
Referentie: arxiv.org/abs/1305.0317 : Optische Bernoulli-krachten