Если вы не путешествуете в космическом вакууме, звук окружает вас каждый день. Но большую часть времени вы, вероятно, не думаете об этом как о физическом присутствии. Вы слышите звуки; ты их не трогай. Единственными исключениями могут быть шумные ночные клубы, машины с дребезжащими окнами динамиками и ультразвуковые аппараты, измельчающие камни в почках. Но даже тогда вы, скорее всего, думаете о том, что вы чувствуете, не как о самом звуке, а как о вибрациях, которые звук создает в других объектах.
Идея о том, что что-то столь неосязаемое может поднимать предметы, может показаться невероятным, но это реальное явление. Акустическая левитация использует свойства звука, чтобы заставить плавать твердые тела, жидкости и тяжелые газы. Процесс может проходить в условиях нормальной или пониженной гравитации. Другими словами, звук может левитировать объекты на Земле или в газонаполненных камерах в космосе.
Чтобы понять, как работает акустическая левитация, сначала нужно немного узнать огравитации,воздухеизвуке. Во-первых,гравитация - это сила, которая заставляет объекты притягиваться друг к другу. Самый простой способ понять гравитацию - использовать закон всемирного тяготения Исаака Ньютона. Этот закон гласит, что каждая частица во Вселенной притягивает любую другую частицу. Чем массивнее объект, тем сильнее он притягивает другие объекты. Чем ближе объекты, тем сильнее они притягиваются друг к другу. Огромный объект, такой как Земля, легко притягивает к себе предметы, находящиеся рядом с ним, например яблоки, свисающие с деревьев. Ученые еще не определились, что именно вызывает это притяжение, но считают, что оно существует повсюду во Вселенной.
Во-вторых,воздух - это жидкость, которая ведет себя практически так же, как жидкости. Как и жидкости, воздух состоит из микроскопических частиц, которые движутся относительно друг друга. Воздух также движется так же, как и вода - на самом деле, некоторые аэродинамические испытания проводятся под водой, а не в воздухе. Частицы в газах, такие как те, из которых состоит воздух, просто находятся дальше друг от друга и движутся быстрее, чем частицы в жидкостях.
В-третьих,звук - это вибрация, которая проходит через среду, такую как газ, жидкость или твердый объект. Источником звука является объект, который очень быстро перемещается или меняет форму. Например, если вы ударите в колокольчик, колокольчик начнет вибрировать в воздухе. Когда одна сторона колокола выдвигается, он толкает молекулы воздуха рядом с собой, увеличивая давление в этой области воздуха. Эта область более высокого давления являетсясжатиемКогда сторона колокола возвращается внутрь, она раздвигает молекулы, создавая область более низкого давления, называемуюразрежениеЗатем колокол повторяет процесс, создавая повторяющуюся серию сжатий и разрежений. Каждое повторение составляет однудлину волны звуковой волны.
Звуковая волна распространяется по мере того, как движущиеся молекулы толкают и притягивают молекулы вокруг себя. Каждая молекула по очереди перемещает следующую за ней. Без этого движения молекул звук не мог бы распространяться, поэтому в вакууме нет звука. Вы можете посмотреть следующую анимацию, чтобы узнать больше об основах звука.
Акустическая левитация используетзвук, проходящий черезжидкость- обычно газ - чтобы сбалансировать силугравитацииНа Земле это может привести к тому, что объекты и материалы будут парить в воздухе без поддержки. В космосе он может удерживать объекты неподвижно, чтобы они не двигались и не дрейфовали.
Этот процесс основан на свойствах звуковых волн, особенно интенсивных звуковых волн. В следующем разделе мы рассмотрим, как звуковые волны способны поднимать предметы.
Физика звуковой левитации
Обычный акустический левитатор состоит из двух основных частей:преобразователь, представляющий собой вибрирующую поверхность, издающую звук, иотражательЧасто преобразователь и отражатель имеютвогнутую поверхность, помогающую сфокусировать звук. Звуковая волна уходит от преобразователя и отражается от отражателя. Три основных свойства этой бегущей, отражающей волны помогают ей подвешивать объекты в воздухе.
Во-первых, волна, как и любой звук, являетсяпродольнойволной давления. В продольной волне движение точек волны параллельно направлению движения волны. Такое движение вы бы увидели, если бы толкнули и потянули один конец растянутого Slinky. Однако на большинстве иллюстраций звук изображается в видепоперечной волны, которую вы бы увидели, если бы быстро перемещали один конец Slinky вверх и вниз. Это просто потому, что поперечные волны легче визуализировать, чем продольные волны.
Во-вторых, волна может отражаться от поверхностей. Это следует иззакона отражения, который гласит, чтоугол падения- угол, под которым что-то падает на поверхность - равенугол отражения - угол, под которым он покидает поверхность. Другими словами, звуковая волна отражается от поверхности под тем же углом, под которым она падает на поверхность. Звуковая волна, падающая на поверхность под углом 90 градусов, будет отражаться прямо под тем же углом. Самый простой способ понять отражение волн - представить Slinky, прикрепленный к поверхности одним концом. Если взять свободный конец Slinky и быстро двигать его вверх, а затем вниз, волна пройдет по всей длине пружины. Как только он достигнет фиксированного конца пружины, он отразится от поверхности и вернется к вам. То же самое произойдет, если нажать и потянуть за один конец пружины, создавая продольную волну.
Наконец, когда звуковая волна отражается от поверхности, взаимодействие между ее сжатиями и разрежениями вызываетинтерференциюСжатия, встречающиеся с другими сжатиями, усиливают друг друга, а сжатия, встречающиеся с разрежениями уравновешивают друг друга. Иногда отражение и интерференция могут объединяться, создаваястоячую волнуСтоячие волны, кажется, смещаются вперед и назад или вибрируют сегментами, а не перемещаются с места на место. Эта иллюзия неподвижности и дала название стоячим волнам.
Стоячие звуковые волны определилиузлы, или области минимального давления, ипучности, или области максимального давления. Узлы стоячей волны лежат в основе акустической левитации. Представьте себе реку со скалами и порогами. Вода на одних участках реки спокойная, на других бурная. Плавающий мусор и пена скапливаются на спокойных участках реки. Чтобы плавучий объект оставался неподвижным в быстро движущейся части реки, его нужно было бы поставить на якорь или привести в движение против течения воды. По сути, это то, что делает акустический левитатор, используя звук, движущийся через газ вместо воды.
Поместив отражатель на нужном расстоянии от преобразователя, акустический левитатор создает стоячую волну. Когда ориентация волны параллельна силе тяжести, части стоячей волны имеют постоянное нисходящее давление, а другие имеют постоянное восходящее давление. Узлы имеют очень небольшое давление.
В космосе, где мало гравитации, плавающие частицы собираются в узлах стоячей волны, которые спокойны и неподвижны. На Земле объекты собираются прямо под узлами, гдедавление акустического излучения, или величина давления, которое звуковая волна может оказывать на поверхность, уравновешивает гравитационное притяжение.
Для создания такого давления требуется нечто большее, чем обычные звуковые волны. В следующем разделе мы рассмотрим, что особенного в звуковых волнах акустического левитатора.
Другое использование нелинейного звука
Некоторые медицинские процедуры основаны на нелинейной акустике. Например, в ультразвуковой визуализации используются нелинейные эффекты, позволяющие врачам исследовать младенцев в утробе матери или просматривать внутренние органы. Ультразвуковые волны высокой интенсивности также могут измельчать камни в почках, прижигать внутренние повреждения и разрушать опухоли.
Нелинейный звук и акустическая левитация
Обычные стоячие волны могут быть относительно мощными. Например, стоячая волна в воздуховоде может привести к тому, что пыль будет собираться по образцу, соответствующему узлам волны. Стоячая волна, отражающаяся в комнате, может вызывать вибрацию объектов на своем пути. Низкочастотные стоячие волны также могут вызывать у людей нервозность или дезориентацию - в некоторых случаях исследователи находят их в зданиях, о которых говорят, что в них обитают привидения.
Но эти подвиги - мелочь по сравнению с акустической левитацией. Чтобы повлиять на то, где оседает пыль, или разбить стекло, требуется гораздо меньше усилий, чем для того, чтобы поднять предметы с земли. Обычные звуковые волны ограничены своейлинейной природой. Увеличение амплитуды волны делает звук громче, но не влияет на форму волны и не делает ее более мощной физически.
Однако чрезвычайно интенсивные звуки, такие как звуки, причиняющие физическую боль человеческому уху, обычнонелинейны. Они могут вызывать непропорционально большие отклики в веществах, через которые они проходят. Некоторые нелинейные эффекты включают:
- Искаженные формы волны
- Ударные волны, похожие на звуковые удары
- Акустический поток, или постоянный поток жидкости, через которую проходит волна
- Акустическое насыщение, или точка, при которой вещество больше не может больше поглощать энергию звуковой волны
Нелинейная акустика - сложная область, и физические явления, вызывающие эти эффекты, могут быть трудны для понимания. Но в целом нелинейные эффекты могут сочетаться, чтобы сделать интенсивный звук намного более мощным, чем более тихий. Именно из-за этих эффектов давление акустического излучения волны может стать достаточно сильным, чтобы уравновесить гравитационное притяжение. Интенсивный звук играет центральную роль в акустической левитации - преобразователи во многих левитаторах производят звуки мощностью более 150 децибел (дБ). Обычный разговор составляет около 60 дБ, а громкий ночной клуб ближе к 110 дБ.
Левитация объектов со звуком не так проста, как наведение мощного преобразователя на отражатель. Ученые также должны использовать звуки правильной частоты, чтобы создать желаемую стоячую волну. Любая частота может производить нелинейные эффекты при нужной громкости, но в большинстве систем используются ультразвуковые волны, которые слишком высоки, чтобы люди могли их услышать. Помимо частоты и объема волны, исследователи также должны обратить внимание на ряд других факторов:
- Расстояние между преобразователем и отражателем должно быть кратно половине длины волны звука, издаваемого преобразователем. Это создает волну со стабильными узлами и пучностями. Некоторые волны могут создавать несколько пригодных для использования узлов, но те, что находятся ближе всего к преобразователю и отражателю, обычно не подходят для левитации объектов. Это связано с тем, что волны создают зону давления вблизи отражающих поверхностей.
- В условияхмикрогравитации, таких как космическое пространство, стабильные области внутри узлов должны быть достаточно большими, чтобы поддерживать плавающий объект. На Земле области высокого давления сразу под узлом также должны быть достаточно большими. По этой причине левитирующий объект должен иметь размер от одной трети до половины длины волны звука. Объекты размером более двух третей длины волны звука слишком велики, чтобы их можно было поднять в воздух, - поле недостаточно велико, чтобы их поддерживать. Чем выше частота звука, тем меньший диаметр объектов можно поднять в воздух.
- Объекты подходящего размера для левитации также должны иметь подходящую массу. Другими словами, ученые должны оценить плотность объекта и определить, может ли звуковая волна создать достаточное давление, чтобы противодействовать гравитационному притяжению.
- Капли левитирующей жидкости должны иметь подходящееКоличество связей, которое представляет собой соотношение, описывающее поверхностное натяжение, плотность и размер жидкости в контексте гравитации и окружающей жидкости.. Если число Бонда слишком низкое, дроп лопнет.
- Интенсивность звука не должна превышать поверхностное натяжение левитирующих капель жидкости. Если звуковое поле слишком интенсивное, капля превратится в пончик, а затем лопнет.
Может показаться, что требуется много работы, чтобы подвешивать небольшие объекты в нескольких сантиметрах от поверхности. Левитация небольших объектов или даже мелких животных на короткое расстояние также может показаться относительно бесполезной практикой. Однако акустическая левитация имеет несколько применений как на земле, так и в космосе. Вот некоторые из них:
- В производстве очень маленьких электронных устройств и микрочипов часто используются роботы или сложное оборудование. Акустические левитаторы могут выполнять ту же задачу, управляя звуком. Например, левитирующие расплавленные материалы будут постепенно охлаждаться и затвердевать, и в правильно настроенном звуковом поле полученный твердый объект будет идеальной сферой. Точно так же поле правильной формы может вызвать отложение и затвердевание пластика только на нужных участках микрочипа.
- Некоторые материалы вызывают коррозию или иным образом реагируют с обычными контейнерами, используемыми во время химического анализа. Исследователи могут помещать эти материалы в акустическое поле для изучения без риска загрязнения или разрушения контейнеров.
- Изучение физики пены имеет большое препятствие - гравитацию. Гравитация тянет жидкость вниз из пены, высушивая и разрушая ее. Исследователи могут удерживать пену в акустических полях, чтобы изучать ее в космосе, без вмешательства гравитации. Это может привести к лучшему пониманию того, как пена выполняет такие задачи, как очистка океанской воды.
Исследователи продолжают разрабатывать новые установки для систем левитации и новые приложения для акустической левитации. Чтобы узнать больше об их исследованиях, звуках и связанных с ними темах, перейдите по ссылкам ниже.
Другие настройки левитатора
Несмотря на то, что левитатор с одним датчиком и одним отражателем может подвешивать объекты, некоторые настройки могут повысить устойчивость или разрешить движение. Например, некоторые левитаторы имеют три пары преобразователей и отражателей, расположенных вдоль осей X, Y и Z. Другие имеют один большой передатчик и один маленький подвижный отражатель; подвешенный объект перемещается при движении отражателя.
Часто задаваемые вопросы
Возможна ли акустическая левитация?
Да, акустическая левитация возможна.
Как на самом деле работает акустическая левитация?
Акустическая левитация - это явление, при котором звуковые волны используются для создания силы, способной удерживать объект в воздухе.