De wederkerige stelling van Lorentz kan nu worden toegepast op vloeistoffen met gebroken symmetrieën. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Dynamica en Zelforganisatie (MPI-DS) in Göttingen hebben een manier gevonden om deze klassieke stelling ook te verwerken in vloeistoffen met vreemde viscositeiten. Hun ontdekking opent een nieuwe manier om systemen met gebroken symmetrieën te verkennen.

Symmetrieën zijn fundamenteel voor de natuurkunde. Over het algemeen wordt een fysiek proces als symmetrisch beschouwd als het identiek lijkt als het in spiegelbeeld wordt bekeken of als de tijd wordt omgekeerd. In de hydrodynamica is een gevolg daarvan dat de stroming rond een bewegend object hetzelfde is als wanneer de bewegingsrichting wordt omgekeerd. De onveranderlijkheid van de stroomlijningen zorgt ervoor dat de kracht op het object onveranderd blijft bij omkering van de beweging. Dit wordt beschreven door de wederkerige stelling van Lorentz, waarmee onderzoekers zelfs complexe vloeistofdynamicaproblemen kunnen oplossen.

Sommige systemen vertonen echter gebroken symmetrieën, wat resulteert in een zogenaamde vreemde viscositeit van de vloeistof. Hier kon de stelling van Lorentz niet worden toegepast. De wetenschappers Yuto Hosaka, Ramin Golestanian en Andrej Vilfan van het Department of Living Matter Physics van de MPI-DS hebben nu nieuwe inzichten verworven in dergelijke systemen met gebroken symmetrieën. Hun artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

"We hebben een manier gevonden om de stelling uit te breiden tot oneven viscositeit zonder schending", meldt Yuto Hosaka, eerste auteur van het onderzoek. "Onze generalisatie maakt een breed scala aan analytische berekeningen voor vloeistoffen mogelijk, inclusief zelfrijdende micro-organismen in levende systemen."

De onderzoekers gebruikten hun nieuwe inzichten om het gedrag van verschillende microzwemmers te analyseren. Dankzij hun generalisatie kan de stelling van Lorentz het gedrag van bewegende microzwemmers koppelen aan niet-beweeglijke objecten met dezelfde geometrie in vreemde viscositeiten.

Toch beperkt deze toepassing zich niet tot de hydrodynamica van microzwemmers. "Aangezien er op een groot aantal fysieke gebieden verwante, wederzijdse stellingen bestaan, geeft ons werk onderzoekers een nieuw hulpmiddel om systemen met gebroken symmetrieën te onderzoeken", besluit Hosaka.

Meer informatie: Yuto Hosaka et al, Lorentz wederzijdse stelling in vloeistoffen met vreemde viscositeit, Fysieke beoordelingsbrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.178303

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Max Planck Society