Сила звука
Так, например, еще один способ использовать силу ультразвука — акустическая левитация. Обычно, чтобы заставить парить в воздухе тот или иной предмет, используют левитацию магнитную. Если обычный магнит поместить над другим магнитом или сверхпроводником, то магнит будет парить в воздухе.
Однако для получения эффекта сверхпроводимости нужны сверхнизкие температуры.
А вот ультразвук дает возможность бесконтактно перемещать любые объекты без всякого охлаждения. Это подтверждают эксперименты с ультразвуковой или акустической левитацией, которые ведутся сразу в нескольких лабораториях мира. Например, физики из Университета Сан-Пауло в Бразилии предложили способ, с помощью которого можно заставить небольшие объекты не только парить в воздухе, но и перемещать их в нужном направлении. Чтобы преодолеть силу тяжести, исследователи использовали давление, которое оказывают звуковые волны.
С помощью ультразвуковых волн можно удерживать и даже передвигать в воздухе небольшие предметы. На фото показана левитация над поверхностью отражателя шарика из полистирола и капель воды (справа).
«Ощутить силу звука можно, если встать напротив мощной акустической колонки или громкоговорителя, — объясняют экспериментаторы. — Звук представляет собой колебание, возникающее в какой-либо среде — воздухе, воде или твердом теле. С физической точки зрения, передача звука в воздухе представляет собой движение областей высокого и низкого давления. Колебания давления создают силу, которая может воздействовать на механические объекты».
При этом исследователи используют так называемые стоячие волны. Простейший пример таких волн описан во многих учебниках. Если закрепить один конец длинной веревки, а другой перемещать рукой с постоянной частотой вверх-вниз, то некоторые точки веревки будут оставаться неподвижными.
Образование такой стоячей волны происходит вследствие наложения двух волн — исходной, созданной движением свободного конца веревки, и отраженной. Эффекты, возникающие при наложении звуковых волн друг на друга, легли в основу разработанного метода ультразвуковой левитации.
Излучатель испускает акустические колебания, которые отражаются от расположенной на некотором расстоянии поверхности. Излученные и отраженные волны складываются, образуя что-то вроде коридора, в котором чередуются области высокого и низкого давления. Если предмет попадает в область стоячей ультразвуковой волны, то ее энергии хватает, чтобы компенсировать силу тяжести.
Впрочем, добиться стабильного удержания предметов в воздухе оказалось весьма непросто. Поначалу никак не удавалось создать стоячую ультразвуковую волну необходимой мощности. Кроме того, достаточно было малейшего смещения излучателя или отражателя — и эффект пропадал.
Чтобы решить эту задачу, Марко Андраде и его коллеги изготовили специальный вогнутый отражатель ультразвука, с помощью которого удалось достичь многократного отражения колебаний с целью формирования стоячих волн. В итоге ныне небольшие пластиковые шарики висят в воздухе даже без точной настройки системы.
Фармацевты в наушниках
Ряд подобных экспериментов был осуществлен также в Швейцарии. Там исследователи тоже выяснили, как с помощью силы звука перемещать предметы в воздухе. «Прорыв в акустической левитации позволит физикам применять этот метод в различных сферах, включая фармацевтическую отрасль и производство электроники», — полагает ведущий автор исследования, инженер-механик Димос Поликакос из научно-технического университета Швейцарии, опубликовавший результаты тестов в профильном онлайн-издании «Труды Национальной академии наук».
Команда Поликакоса провела ряд экспериментов, таких как объединение в воздухе капель воды или химических растворов, приготовление крошечной порции растворимого кофе, а также исследователи смогли удерживать в воздухе деревянную зубочистку, поворачивая и перемещая ее.
Ученые объяснили, что звуковые волны оказывают давление, когда сталкиваются с поверхностью объекта. Это практически незаметно глазу, пока интенсивность колебаний волн не станет достаточно мощной и звук сможет противодействовать влиянию гравитации.
Поликакос и его коллеги использовали звук громкостью около 160 дБ. Это больше, чем может выдержать человеческий слух, поэтому ученые вынуждены работать в специальных наушниках. Они также использовали частоту 24 000 Гц, которую человеческое ухо не воспринимает, потому что предельный диапазон для органов слуха у людей составляет около 20 000 Гц.
Читать дальше
