Fizičari su napravili crnu rupu u laboratoriji: Progutala je zvuk – Život

Zvuk je neobična pojava kojom nije uvek lako upravljati. Ispunjava svet oko nas, dolazi iz brojnih izvora i odbija se od površina, stvarajući eho. Upravo zbog toga može biti izuzetno koristan, ali i veoma problematičan, u zavisnosti od toga gde i kako dolazi do njegovog odbijanja.

U određenim okolnostima, eho može da izazove ozbiljne probleme. Najočigledniji primer su studiji za snimanje zvuka, ali jedno od područja u kojima ovaj problem može biti posebno izražen na prvi pogled nije toliko očigledno, iako je svuda oko nas. Reč je o cevima, piše Science Alert.

Bilo da je reč o ventilaciji, klimatizaciji, industrijskim izduvnim sistemima ili vodovodnim instalacijama, zvuk se širi kroz prostor unutar cevi i kanala. Kada naiđe na prepreku, promenu oblika ili zatvoren kraj, može da počne da se odbija i stvara neželjenu buku.

Naučnici su sada razvili domišljat uređaj koji može značajno da smanji takve refleksije tako što praktično „guta“ zvuk.

Nazvan je zvučna crna rupa, a novi dizajn može da se napravi pomoću 3D štampača i umetne direktno u postojeću cev. To predstavlja značajan napredak u odnosu na dosadašnja rešenja, koja zahtevaju da se struktura crne rupe ugradi u samu cev.

„Zamislite da stojite ispred kanala koji je zatvoren na drugom kraju i viknete u njega. Posle kratkog vremena, u zavisnosti od dužine kanala, čuli biste eho koji se vraća sa zatvorenog kraja“, objasnio je za ScienceAlert Oriol Guas, stručnjak za akustiku sa univerziteta La Sal u okviru ustanove Ramon Ljul u Španiji.

„Ako bi se na kraju kanala nalazila zvučna crna rupa, praktično ne biste čuli nikakav eho. Sa akustičkog stanovišta, bilo bi gotovo kao da je cev beskonačno duga i da nema kraja od kojeg bi zvuk mogao da se odbije i vrati do vas.“

Klasična zvučna crna rupa sastoji se od prstenova ugrađenih u zidove cevi. U novom rešenju prstenovi su postavljeni na centralnu šipku, što omogućava da se čitava konstrukcija umetne u već postojeću cev.

Kako funkcioniše zvučna crna rupa?

Crne rupe najpoznatije su kao objekti u svemiru čija je gravitacija toliko snažna da zakrivljuje prostor-vreme i stvara granicu izvan koje čak ni svetlost ne može da pobegne.

Pošto postoji mnogo razloga zbog kojih ove objekte ne možemo neposredno da proučavamo izbliza, fizičari su osmislili laboratorijske modele koji oponašaju pojedine karakteristike njihovog ponašanja. Pritom se ponekad oslanjaju na pojave koje imaju malo veze sa gravitacijom.

Međutim, „crna rupa“ koju su razvili Guas i njegove kolege funkcioniše na drugačijem principu. Istraživanje, čiji je prvi autor inženjer Đe Deng sa univerziteta La Sal u okviru ustanove Ramon Ljul, zasniva se na neobičnom svojstvu zvučnih talasa.

U odgovarajućim uslovima, zvučni talasi mogu postepeno da usporavaju sve dok praktično ne stignu do kraja svog puta.

Ovaj proces donekle podseća na čuveni paradoks dihotomije starogrčkog filozofa Zenona. Prema tom paradoksu, putnik koji želi da stigne do odredišta najpre mora da pređe polovinu preostalog puta, zatim polovinu preostalog rastojanja i tako redom, zbog čega se čini da nikada neće stići do cilja.

Ipak, postoji važna razlika. U zvučnoj crnoj rupi talas zaista usporava dok se kreće kroz strukturu.

„Ono što se događa sa talasom dok se približava kraju zvučne crne rupe donekle podseća na ono što spoljašnji posmatrač vidi u blizini astrofizičke crne rupe. Čini se da je talasu potrebno beskonačno mnogo vremena da stigne do granične tačke“, objasnio je Guas.

„U idealnim uslovima, kada talas jednom uđe u zvučnu crnu rupu, on iz nje više ne izlazi.“

Taj efekat postiže se pažljivo osmišljenom konstrukcijom. Kao što astrofizička crna rupa zapravo nije rupa u doslovnom smislu, tako ni njena zvučna verzija nije praznina. Reč je o posebno projektovanoj strukturi koja menja način na koji se zvuk kreće kroz cev.

Kod konvencionalnih modela, niz prstenova i šupljina postavljen je duž unutrašnjosti cevi. Njihov raspored omogućava da zvučni talasi postepeno usporavaju dok prolaze kroz konstrukciju. Istovremeno, njihova talasna dužina se smanjuje, a energija sve više koncentriše.

Ipak, ovakva rešenja imaju jedan nedostatak. Struktura mora da bude ugrađena u samu cev, što znači da se najčešće proizvodi zajedno sa njom. Zbog toga je naknadna ugradnja u postojeće sisteme komplikovana. Osim toga, efekat zvučne crne rupe funkcioniše samo u ograničenom opsegu zvučnih frekvencija.

Deng, Guas i njihove kolege pokušali su da reše oba problema tako što su konstrukciju osmislili iz drugačije perspektive. Umesto oblika levka, napravili su strukturu koja podseća na novogodišnju jelku.

„Koncept je iznenađujuće jednostavan i veoma dobro funkcioniše“, rekao je Guas. „Sa praktične strane, zvučna crna rupa može da se proizvede nezavisno od kanala, a zatim jednostavno umetne u njega.“

Novi dizajn sastoji se od niza prstenova postavljenih na centralnu šipku, čiji se prečnici postepeno menjaju duž konstrukcije. Prostor između prstenova formira šupljine koje menjaju način na koji se zvuk širi kroz cev.

Kada zvuk uđe u strukturu na njenom užem kraju, počinje da usporava. Njegova talasna dužina postepeno se smanjuje, dok se energija koncentriše prema suprotnom kraju.

Upravo tu nastaje efekat zbog kojeg uređaj deluje kao da zvuk nestaje. Umesto da se jednostavno odbije od kraja cevi, veliki deo koncentrisane zvučne energije rasipa se usled trenja i razmene toplote između vazduha i površina uređaja. Zbog toga se znatno manje zvuka vraća u obliku eha.

Šta je pokazao eksperiment?

Istraživači su ispitali ovu ideju pomoću prototipa napravljenog 3D štampom. Uređaj je bio dugačak 15 centimetara i sastojao se od 29 prstenova postavljenih na centralnu šipku. Zatim je umetnut u impedansnu cev, laboratorijski instrument koji se koristi za merenje ponašanja zvučnih talasa kada naiđu na određeni materijal ili strukturu.

Naučnici su potom pomoću zvučnika slali talase različitih frekvencija kroz cev, dok su mikrofoni merili koliko se zvuka odbija nazad.

Rezultati su bili obećavajući. Količina zvuka koja se odbijala od zvučne crne rupe uglavnom se poklapala sa rezultatima računarskih simulacija. Ipak, važno je naglasiti da uređaj nije u potpunosti uklonio eho.

Istraživači su zatim pomoću računarskih simulacija uporedili novi model, koji se jednostavno umeće u cev, sa konvencionalnom zvučnom crnom rupom.

Rezultati su ukazali na to da novo rešenje ima prednosti koje prevazilaze jednostavniju proizvodnju i ugradnju.

„Još jedna važna prednost jeste to što je opseg frekvencija u kojem se uređaj ponaša kao zvučna crna rupa znatno širi nego kod konvencionalnog modela“, objasnio je Guas.

Simulacije su takođe pokazale da novi dizajn odbija manje zvuka od klasičnog rešenja u širokom rasponu frekvencija.

Razlog se krije u šupljinama između prstenova, koje rezoniraju na određenim zvučnim frekvencijama i tako utiču na apsorpciju zvuka. Kod novog dizajna istraživači su ustanovili da se te rezonance javljaju na višim frekvencijama, što omogućava da efekat zvučne crne rupe funkcioniše u širem frekvencijskom opsegu.

Gde bi ova tehnologija mogla da se koristi?

Najneposrednija primena nove tehnologije odnosi se na kontrolu buke, posebno u ventilacionim kanalima i prigušivačima zvuka, gde refleksije mogu da izazovu probleme.

Istraživači već razmatraju i šire mogućnosti. Ispituju da li bi zvučne crne rupe mogle da se razviju u dvodimenzionalnim i trodimenzionalnim oblicima, što bi otvorilo mogućnost njihove primene u akustici prostorija.

Ipak, pre nego što ovi uređaji počnu da se koriste u svakodnevnim uslovima, potrebno je prevazići još nekoliko izazova. Različita okruženja donose i različite probleme, od čestica koje bi mogle da zapuše šupljine do uticaja temperature, pritiska i protoka vazduha.

Uprkos tome, Guas je optimističan kada je reč o mogućnostima upravljanja zvukom na načine koji su donedavno delovali gotovo nezamislivo.

„Ono što mene lično najviše fascinira jesu fizika i matematika koje stoje iza svega ovoga, kao i način na koji se povezuju oblasti znanja koje na prvi pogled nemaju mnogo zajedničkog“, rekao je za ScienceAlert.

„I, naravno, mogućnosti kontrole talasa koje danas imamo pre samo nekoliko godina verovatno bi delovale gotovo kao naučna fantastika.“

Istraživanje je objavljeno u naučnom časopisu „Applied Acoustics„.