Un robot oscillant peut se propulser grâce à la réflexion des vagues de l’eau

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par David Appell, Tech Xplore

Bateau robot générateur de vagues. (a) Photo d’un bateau générant des vagues de 17,1 Hz. (b) Schéma du moteur excentrique faisant vibrer le bateau pour générer des vagues ; les hélices illustrées en (a) ne sont pas utilisées dans cette étude et donc omises en (b). (c) Schéma du réservoir dans lequel toutes les expériences ont été réalisées. Un damier rétroéclairé permet une démodulation rapide en damier pour la reconstruction spatio-temporelle de la surface. (Encadré) La démodulation rapide en damier détermine la hauteur de la surface du fluide en utilisant la distorsion instantanée d’un damier par les perturbations de la surface. (d1) – (d2) Série chronologique de répulsion du mur (17,1 Hz) et d’attraction vers le mur (33,5 Hz), respectivement. (e) Evolution de la distance perpendiculaire entre la coque et le mur pour des essais répulsifs et attractifs répétés à 17,1 Hz et à deux distances initiales différentes. Crédit : Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.084001

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Bateau robot générateur de vagues. (a) Photo d’un bateau générant des vagues de 17,1 Hz. (b) Schéma du moteur excentrique faisant vibrer le bateau pour générer des vagues ; les hélices illustrées en (a) ne sont pas utilisées dans cette étude et donc omises en (b). (c) Schéma du réservoir dans lequel toutes les expériences ont été effectuées. Un damier rétroéclairé permet une démodulation rapide en damier pour la reconstruction spatio-temporelle de la surface. (Encadré) La démodulation rapide en damier détermine la hauteur de la surface du fluide en utilisant la distorsion instantanée d’un damier par les perturbations de la surface. (d1) – (d2) Série chronologique de répulsion du mur (17,1 Hz) et d’attraction vers le mur (33,5 Hz), respectivement. (e) Evolution de la distance perpendiculaire entre la coque et le mur pour des essais répulsifs et attractifs répétés à 17,1 Hz et à deux distances initiales différentes. Crédit : Lettres d’examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.084001

Des choses étranges peuvent se produire lorsqu’une vague rencontre une frontière. Dans l’océan, les vagues de tsunami, à peine perceptibles dans les eaux profondes, peuvent devenir assez importantes sur le plateau continental et sur les côtes, à mesure que les vagues ralentissent et que leur masse se déplace vers le haut.

L’effet Casimir est l’attraction de deux plaques parallèles non chargées, car les ondes virtuelles de la mécanique quantique dont les longueurs d’onde sont supérieures à la séparation des plaques sont exclues entre elles, de sorte que les champs virtuels à l’extérieur des plaques les poussent vers l’intérieur. Plaques parallèles partiellement immergées dans l’eau s’attirer les uns les autres car les vagues d’eau porteuses d’impulsion de longueur d’onde plus longue sont exclues de la région centrale. (Les spéculations sur un effet Casimir maritime entre navires à quai sont toujours sous débat.)

Aujourd’hui, les scientifiques ont montré qu’un robot flottant et oscillant symétrique subit des forces lorsqu’il s’approche d’une limite. Ces forces peuvent être utilisées pour l’autopropulsion sans avoir recours à des mécanismes plus classiques comme une hélice.

L’étude est publié dans la revue Physical Review Letters.

Dirigé par un doctorat. étudiant Steven W. Tarr du Georgia Institute of Technology, l’équipe a construit un flotteur circulaire imprimé en 3D de 12 cm de diamètre et d’une masse de 368 g. À bord, ils ont fixé des moteurs fonctionnant sur batterie qui font vibrer le bateau avec une fréquence contrôlable, produisant un mouvement vibrant le long de l’axe avant-arrière (roulis). Lorsqu’il était allumé, l’engin produisait une série d’ondes symétriques à la surface de l’eau, toutes de même longueur d’onde, rayonnant vers l’extérieur.

Un bateau robotique générateur de vagues subit une attraction et une répulsion lorsqu’il flotte près d’un mur d’enceinte. Crédit : Steven W. Tarr et Daniel I. Goldman, Georgia Institute of Technology

Une feuille acrylique a été placée à proximité dans l’eau pour servir de limite, suffisamment longue pour créer efficacement un système unidimensionnel, de sorte que seul le mouvement du bateau perpendiculaire au mur devait être surveillé. Loin du mur (par rapport à la taille du bateau et à la longueur d’onde des vagues), il n’y avait aucune force nette sur le bateau. Mais près du mur, il a été observé que le bateau générateur de vagues présentait un comportement attractif ou répulsif, en fonction de sa distance initiale par rapport au mur et de la fréquence des vagues générées.

Les chercheurs ont utilisé une webcam pour enregistrer le mouvement du bateau et mesurer son mouvement latéral (perpendiculaire au mur), tout en mesurant également son accélération dans cette direction perpendiculaire (qui était inférieure à 100 micromètres par seconde carrée). Les vagues émanant du bateau oscillant ont été visualisées et mesurées avec une caméra à grande vitesse via la photographie Schlieren, qui mesure les modifications du débit d’un fluide en observant les modifications de son indice de réfraction.

Lorsqu’il commençait près du mur (environ la moitié de son rayon ou moins), le bateau était de plus en plus attiré par le mur à mesure que sa distance initiale diminuait et que sa fréquence d’oscillation augmentait (et donc la fréquence des vagues d’eau). À mi-portée, à une distance initiale d’environ deux tiers de rayon et à des fréquences plus basses, la force exercée sur le bateau est devenue légèrement répulsive, l’éloignant du mur. Sur de grandes distances (par rapport au rayon), il n’y avait aucune force nette sur le bateau.

Étant donné que l’accélération était assez faible, inférieure à 10 millionièmes de l’accélération gravitationnelle de la surface de la Terre (« g »), des mesures ont été prises pour isoler les forces des effets à court terme de la viscosité, de la traînée sur le bateau due aux vagues elles-mêmes et de la l’inertie du bateau. Pourtant, les forces étaient faibles, inférieures à 100 micronewtons.

Le phénomène locomoteur d’auto-propagation des vagues émanant du bateau s’est produit lorsque les vagues réfléchies par le mur ont frappé la coque du bateau avec suffisamment d’énergie. Sur le côté du mur du bateau, les vagues réfléchies ont frappé la coque avec une hauteur (amplitude) de vague plus petite qu’à leur sortie, en raison de la dispersion des vagues lorsqu’elles se déplaçaient sur la surface de l’eau. Ces vagues de retour plus petites ont été soustraites des vagues émises plus grandes, interférant et diminuant efficacement l’amplitude des vagues émises par le bateau du côté du mur.

En effet, le bateau émettait des vagues asymétriques, plus grandes dans la direction opposée au mur, et plus petites vers le mur. Cette asymétrie entre les deux côtés du bateau se traduisait par une force d’attraction vers le mur.

Plus loin du mur, les ondes réfléchies avaient une hauteur trop petite pour affecter la génération nette d’ondes, mais elles portaient toujours un certain élan, ce qui entraînait une légère force répulsive. Loin du mur, les ondes réfléchies s’étaient dissipées et ne fournissaient donc aucune force significative.

La dépendance en fréquence est apparue car, alors que l’énergie de l’onde réfléchie augmentait avec la fréquence, le contact des ondes émises avec le mur entraînait une dynamique complexe au niveau de la ligne de contact, dissipant une énergie substantielle et modifiant l’amplitude des ondes réfléchies.

“Notre étude est un formidable exemple de la richesse des phénomènes qui attendent d’être découverts à l’interface de la physique et de la robotique”, a déclaré Daniel Goldman, co-auteur et professeur de physique au Georgia Institute of Technology, qui appelle ce domaine “robophysique”. “

“Faire et utiliser des analogies avec d’autres branches de la physique (dans ce cas, l’effet Casimir dans la théorie quantique des champs) peut être utile pour développer de nouvelles approches du mouvement des robots analogues à notre précédent travail sur la “diffraction mécanique” dans les systèmes ondulatoires sans membres”, a conclu Goldman.

Plus d’information:
Steven W. Tarr et al, Sonder les forces induites par les fluctuations hydrodynamiques avec un robot oscillant, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.084001

Informations sur la revue :
Lettres d’examen physique

© 2024 Réseau Science X

2024-03-09 15:44:59
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