Акустическая левитация

Акустическая левитация

Явление акустической левитации это возможность поднимать в воздух тело, преодолевая силу притяжения. В этой статье мы рассмотрим, как это работает.

Общие принципы

Так устроен наш мир, что мы повсюду слышим самые разные звуки. Многие из людей даже не знают, каким образом они распространяются. Звук слышен, но прикоснуться к нему нельзя. Даже при работе мощной акустической системы, когда звук просто содрогает и нас и окружающие предметы, мы не можем прикоснуться к нему.

Сама мысль о том, что звук, невидимая волна, способен поднять в воздух любое тело кажется невероятной, но факт остается фактом. Акустическая левитация может поднять над поверхностью не только предметы, а и жидкости и тяжелый газ, не смотря на притяжение земли. Чтобы понять, как действует это явление, изначально необходимо разобраться, что такое воздух, гравитация и, конечно же, сам звук.

Левитация с помощью звука

Что касается гравитации, тут все объясняет учение Ньютона о притяжении земли. Тяготение это сила, которая влияет абсолютно на все тела мира, и распространяться она может далеко. Гравитация обладает такой  особенностью, как постоянное ускорение тела, вне зависимости от его массы. Чтобы это понять, можно привести простой пример, когда и тяжелая гантель и пушинка, сброшенные на землю в вакууме, будут падать с одинаковым ускорением. Гравитация работает не только относительно земли, она так же присутствует между любыми двумя телами, и чем больше их масса, тем сильнее притяжение.

Воздух это среда обладающая текучестью, как и у жидкости. Он точно так же состоит из массы молекул, которые движутся друг относительно друга, только скорость их движения значительно выше, нежели у жидкости. По причине сходства двух стихий, некоторые тесты аэродинамики проводятся под водой.

Звук это вибрация, которая распространяется посредством сжатия слоев в совершенно любом материале, воздух, вода или металл. Звуковые волны распространяются сравнительно быстро, их скорость зависит от типа материала.

Бразильские учёные продемонстрировали устройство акустической левитации

Попадая в определенное тело звуковые волны оказывают давление на молекулы, а те, в свою очередь, на соседние, таким образом, и передается звук. Если бы частички не совершали колебаний, прохождение звука было бы невозможным, как невозможно оно и в вакууме. Акустическая левитация подразумевает под собой прохождение звуковых волн под телом, обтекание его и создание подъемной силы, которая равна или превышает силу притяжения. Если мы проведем опыт на земле, то увидим, что тело поднимается в воздух, а в космосе объект можно направлять и стабилизировать таким образом. Весь процесс очень зависит от частоты звука и его интенсивности.

Сущность процесса

Само устройство для левитации тел изготовлено из двух частей. Первая это преобразователь, именно он создает звуковое давление, а вторая рефлектор или отражатель. Обе части в основном оснащаются изогнутым профилем, для лучшей акустики. Рефлектор предназначен для того чтобы создаваемая преобразователем волна отражалась и имела должную форму. Сам рефлектор наделен основными свойствами ,о которых мы поговорим ниже.

Первое свойство это распространение звука продольно, то есть параллельно направлению преобразователя. Когда волна отражается от предмета, ее угол равен углу падения, это второе свойство устройства.

Швейцарские ученые заставили звуком летать зубочистку

Когда разреженная область налагается на уплотненную, возникает интерференция. Две уплотненных области дополняют друг друга, а области уплотнения и разрежения, уравниваются. Порой волна, которая отразилась от тела, взаимодействует с интерференцией и образует стоячую область, которая не передает энергию, а просто переводит ее из одного состояния в другое. Ярким примером стоячей волны выступает колебание струны, которая на вид неподвижна, именно от этого волна и получила название стоячей.

Волны стоячего типа обладают зонами пучностей, которые характеризуются областями повышенного и пониженного давления. Именно максимально плотная зона и выступает движущей силой акустической левитации. К примеру, вы видите речку, которая имеет пороги и перекаты. Местами ее течение спокойное, но кое-где стремительное. В первой части много пены, которая собралась воедино. Для того же чтобы удержать пену на быстром течении, к ней нужно приложить усилие, противоположное течению. Именно так и работает левитация, за исключением того что вместо течения тут присутствует газ.

Если рефлектор разместить на необходимом расстоянии с преобразователем, образуются именно стоячие волны. Если направление звукового давления будет параллельным гравитационной линии, создастся область уплотнения.

Нелинейные звуковые волны

Звуковые волны

Простые волны стоячего типа имеют относительную энергию. К примеру, ими можно собрать область из частичек в воздухопроводе. Но они не способны на нечто большее, так как имеют линейную характеристику. Так как при увеличении амплитуды колебаний звука его мощность не меняется, возрастает лишь громкость, это не будет менять картину. Но звуки максимальной громкости, которые способны даже причинить вред человеку, имеют нелинейный характер и, соответственно, дает гораздо большее влияние на материал.

Акустические волны нелинейного типа это поля гораздо большей мощности комплексного типа, давления которых вполне может хватить, чтобы преодолеть гравитацию, действующую на тело. Мощность такого излучения может достигать более 150 дБ, в то время как самая мощная акустическая система имеет показатель порядка 120 дБ.

В современных генераторах присутствует возможность изменять еще и частоту волны, которая дает широкое поле для экспериментов. Но при этом нужно обязательно брать во внимание следующие моменты. Отдаленность рефлектора и излучателя должна равняться половине длины звуковой волны. Это гарантирует стабильность распространения волн звука. Объекты, которые будут левитировать должны иметь размер от одной трети до половины длины волны звука. Если одно из этих условий не будет соблюдаться, звуковое давление не сможет превысить силу гравитации. Следует заметить, что при увеличении частоты звука, появляется возможность поднимать более мелкие детали.

Чтобы поднять частичку воды, она обязана обладать определенным количеством связей, которые характеризуют натяжение поверхности размер и плотность. В случае если связей будет мало, капля растечется. Так же мощность звука не должна разрушать связи жидкости.

В дополнение к выше написанному, следует дополнить, что явление акустической левитации не несет никакой полезной функции, кроме некоторых исключений. Например, изготовление деталей для электроники. Парящий в воздухе материал способен равномерно остыть и под действием внутренней силы тяжести принять форму идеального шара. Также определенной формы и интенсивности волна способна наносить микроэлементы точно в определенных местах радиодетали.

Существуют случаи, когда нормальному изучению материалов мешает их взаимодействие со стенками сосудов, тут так же приходит на выручку акустическая левитация, которая просто подвешивает объект в воздухе.

Изучение свойств жидкости зависит от наличия гравитационного поля. Так как на земле достигнуть полного отсутствия гравитации невозможно, применяется подвешивание жидкости в воздухе посредством звуковой волны. Изучение акустической левитации продолжается и сейчас ,ученые постоянно меняют оборудование и делают новые открытия.