材料科学系胡新华课题组的最新研究提升了经典理论中的水波波速上限

作者:刘岍琳摄影: 视频: 来源:材料科学系发布时间:2022-01-11

风浪是在风直接作用下产生的水面波动,而水波是一种生活中常见的机械波,它广泛地存在于各种水域的表面,比如湖面的涟漪、海上的风浪、破坏力巨大的海啸,都属于水波。因为与人类生活关系密切,水波一直是科学家研究的重点。1841年,艾利给出了水波在自由水域中的波速公式和波速上限。

最近,胡新华教授课题组提出了一种新的结构体系,其中的水波速度超过了艾利发现的水波波速上限。该成果以《静止表面圆盘阵列中的快速水波》(Fast Water Waves in Stationary Surface Disk Arrays1215日发表在国际物理旗舰期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

水波中有一个重要的现象是:当水深增大时,水波的速度将增大。在180年前,艾利对这一现象进行了总结性的研究。由于水波是一种表面波,水深的增加并不能无限地增加水波的波速;水波速度存在一个上限,该上限由重力加速度决定。如果要获得更大的波速,则必须增加重力加速度,而这对生活在地球上的人类来说是极为困难的。近年来,受到超材料研究的启发,人们开始研究水波与人工周期结构的相互作用。虽然许多新奇的现象得以发现,但是水波在结构水体中的速度,特别是群速度,仍然低于自由水体中速度。已研究的体系包括波浪形水底结构、周期柱子阵列和共振器阵列。在这些障碍物阵列结构中,人们只能观察到慢速水波效应。

胡新华课题组创造性地设计了一种新的周期结构体系,即在水体表面覆盖一个类似于睡莲、但是固定不动的周期圆盘阵列。在这种周期结构中,低频水波(即最低频带的水波)将感受到增大的等效重力加速度和等效水深。通过构建相应的水波棱镜,课题组观测到了奇特的水波折射和单向透射现象,由此证实了圆盘阵列中的快波效应。在圆盘阵列中,水波的相速度和群速度均可达到空旷水域中波速的1.8倍以上,大幅提升了传统理论中的水波速度上限。理论和实验结果相互印证吻合。

1. 人工水波棱镜中的单向传播效应。水的表面被465个不动的圆盘所覆盖,圆盘构成一个正方格子阵列,阵列轮廓为等腰直角三角形。 (a) 实验装置示意图。水盛放在一个底部透明、侧面倾斜的容器中。通过使用幻灯片投影装置,水波的图案可投射到屏幕上。 (b) 圆盘阵列的照片。利用3D打印技术,465个圆盘被打印在一块刚性板上。 (c)  (d) 实验观测的水波图案。 (e)  (f) 模拟的水波图案。若从阵列左侧入射,水波将完全反射【(c)  (e)】。反之,若从阵列右侧入射,水波可通过阵列【(d)  (f)】。 该单向传输现象,源自于在圆盘阵列中更大的水波相速度。

该工作为调控水波传播、海岸保护和海浪能利用提供了一个新的平台和方向。博士研究生赵锌宇为该论文的第一作者,胡新华教授为该论文的通讯作者。

文章链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.254501

制图:实习编辑:张洁玲责任编辑:李斯嘉

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