Сила звука: акустическая левитация. Акустическая левитация: главное - поймать волну Нелинейные звуковые волны

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.

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.

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.

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

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.

Наша цель - свой ФабЛаб в Санкт-Петербурге!
Следите за новостями!

Хотя наука и считается основной парадигмой развития человеческой цивилизации на протяжении уже как минимум двух столетий, однако восприятие мира большинством людей ещё далеко от научного. Например, для нас является диковинным такое явление, как акустическая левитация. Для повседневного бытового сознания сложно осознать, как с помощью звуковых волн можно заставить левитировать предметы. А между тем данное явление известно, пускай и в теории, учёным уже как минимум несколько десятилетий.

Что такое звук

На самом деле акустическая, или звуковая левитация , то есть стабильное положение предмета, обладающего ощутимой массой, в акустической волне, имеет довольно простое объяснение. Чтобы понять суть данного явления, достаточно вспомнить природу звука, о котором мы ещё со школьных времён знаем, что это волна. Звуковые волны распространяются в различных средах, будь это твёрдое вещество, жидкость или тяжёлый газ. Окружающий нас воздух и есть ничто иное, как тяжёлый газ, вернее, смесь газов.

Существует особый тип звуковых волн - так называемая стоячая волна. Такая волна возникает в особых колебательных системах, при которых звук отражается от некой преграды. При этом звуковая волна не просто отражается, но и накладывается на исходную звуковую волну, причём расположения максимальных и минимальных положений амплитуды должно повторяться. В реальной жизни стоячую звуковую волну можно слышать и наблюдать при игре на музыкальных инструментах - такие волны возникают при вибрации воздуха в трубе органа или при колебаниях струны гитары.

Левитация, то есть своеобразная область невесомости, в которую можно поместить материальный объект, появляется в данном случае в связи с чередованием областей высокого и низкого давления. Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, представляют собой потоки молекул. Накладываясь друг на друга в стоячей акустической волне, эти потоки молекул создают разреженные зоны, в которых воздействие гравитации существенно снижается. Именно благодаря этому попадающий в стоячую волну предмет может фактически зависать, то есть терять свой вес.

Вибрация и отражение

На практике, впрочем, звуковая левитация пока что может осуществляться лишь с небольшими предметами и незначительным количеством того или иного вещества. Также очевидно, что на данный момент акустическая левитация, своими руками воссозданная в бытовых условиях, это сложная задача. Хотя при определённом везении, необходимых знаниях и наличии нужных материалов и приборов такого результата добиться можно. Чаще всего попытки достичь акустической левитации осуществляются с каплей воды.

Любое приспособление для осуществления данного вида левитации должно состоять из преобразующего устройства, обладающего вибрирующей поверхностью, испускающей звуковые волны, и отражательных поверхностей, от которых эти волны будут «отскакивать». Опыты показывают, что эффективнее всего придать как преобразующей вибрирующей поверхности, так и отражателям вогнутую форму. За счёт этого лучше достигается фокусировка звука. Помимо этого, необходимо особое внимание уделить ровности преобразующих и отражающих поверхностей и правильному их расположению относительно друг друга. Потому что звуковая волна должна отражаться от поверхности под тем же углом, под каким она на неё попадает.

Акустическая гравитация является перспективным направлением исследований в практической технологической сфере, так как она почти не зависит от используемых в работе материалов, что снижает стоимость экспериментов. С другой стороны, пока что не удаётся достигнуть звуковой левитации с предметами существенной массы, вес которых исчисляется килограммами и более. Для удержания в состоянии невесомости материальных объектов в данном случае требуются сильные звуковые волны. Поэтому акустическая левитация пока что не слишком устойчива - если поместить в стоячую волну достаточно массивный предмет, то для его поддержания потребуются столь мощные звуковые волны, что их интенсивность может просто разрушить объект.

Швейцарцы не только сыр едят, но и левитируют

При упоминании Швейцарии самыми распространёнными и объяснимыми ассоциациями являются знаменитые швейцарские часы, банки и сыры. Однако в данной стране активно развивается фундаментальная наука, так что неудивительно, что успешные эксперименты с акустической левитацией проводятся именно здесь. Местные учёные в последние годы достигли наибольших успехов в данном направлении. Так, специалисты Швейцарской высшей технической школы (Цюрих) впервые сумели добиться контролируемого полёта предметов в области акустической левитации.

Швейцарцы сумели решить одну из самых каверзных проблем звуковой левитации - размер предмета, помещённого в стоячую волну, не должен превышать половину длины используемой звуковой волны. Если же звуковые волны слишком интенсивные, то они опасны для стабильности осуществляемого процесса. Учёные разработали установку из множества модулей «преобразователь - отражатель», которые уравновешивают друг друга. Испускаемые звуковые волны изменялись с помощью компьютерной программы, благодаря чему удалось достичь управления над левитирующим предметом.

Исследователи смогли не только поочерёдно вращать в различных направлениях зависшую зубочистку, но и добиться соединения в один ком твёрдых частиц и слияния в одну большую каплю нескольких маленьких капель воды.

Разработкой проблемы звуковой левитации занимаются не только в Швейцарии, но и в США. Работники Аргоннской национальной лаборатории близ Чикаго сумели осуществить звуковую левитацию с биологически активными материалами. Пока что это никак не приближает человечество к одному из заветных мечтаний футурологов и писателей-фантастов - к портативному устройству левитации человека. Достижение американских учёных связано прежде всего с медициной и биологией, так как помогает осуществлять различные манипуляции в более стерильных условиях. Впрочем, пока что и это лишь перспективная разработка на будущее - на сегодня масса биологически активного вещества, с которым можно манипулировать в условиях акустической гравитации, не превышает одного миллилитра.

Александр Бабицкий

Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Звуковые волны окружают человека, однако часто он просто не задумывается об их присутствии. Звуки можно слышать, но они не осязаемы. Громкие звуки отрицательно воздействуют на человека, создают шум. Неслышные звуки могут создавать ощущения, однако не воспринимаются сознанием человека.

Звук высокой плотности может стать осязаемым как некоторый предмет. Однако, законы распространения звуковых волн не дают представление о звуке как движущей силе. Что ощущается предметно: сам звук или вибрации окружающих объектов?

Мысль о том, что такое нематериальное может поднимать предметы, может казаться невероятной, но это реальное явление. Акустическая левитация использует свойство звука вызывать колебания в твердом веществе, жидкости и тяжелых газах. Возможность производства антигравитационной силы с помощью звуковых волн была известна в древности.

Акустическая левитация удерживает капли воды.

Исследование явления акустической левитации основано на знаниях о силе тяжести, воздухе и волновых свойствах звука.

Гравитация заставляет объекты притягиваться друг у другу. Закон Ньютона представляет простейший способ объяснить природу гравитации. Этот закон гласит, что каждая частица во Вселенной притягивает все другие частицы. Сила притяжения увеличивается с массой объекта. Расстояние между объектами также влияет на силу притяжения. На уровне планет все объекты около поверхности земли падают на землю. Гравитация имеет свои параметры, которые мало изменяются во Вселенной.

В воздухе также могут создаваться потоки, как в жидкостях. Как жидкости, воздух также состоит из микрочастиц, которые движутся относительно земли и относительно друг друга. Воздух также может перетекать, как вода, но так как частицы воздуха не обладают высокой плотностью, они могут двигаться быстрее.

Звук - это вибрации , которые происходят в газе, жидкости, твердой среде. Звуковые волны распространяются от источника, который движется или меняет форму очень быстро с малой амплитудой. Например, удар колокола заставляет вибрировать колокол в воздухе. Колокол движется в одну сторону и толкает молекулы воздуха, заставляя их вытеснять и толкать другие молекулы, создавая область высокого давления. В области высокого давления образуется сжатый воздух. Когда колокол движется обратно, он тянет молекулы воздуха, создавая область низкого давления. В области низкого давления образуется разреженный воздух. Колокол повторяет вибрирующие движения, создавая повторяющиеся серии сжатия и разрежения. Амплитуда колебаний колокола определяет длину волны производимого звука.

Звуковые волны распространяются за счет движения молекул воздуха. Молекулы, расположенные вблизи поверхности колокола, расталкивают окружающие молекулы во всех направлениях. Звук распространяется в окружающей воздушной среде. Если нет молекул, звук не может распространяться. Вот почему в вакууме звук не распространяется. Следующая анимация изображает процесс образования звука.

Способ звуковой левитации основан на использовании звуковых волн для уравновешивания силы тяжести. На Земле это может привести к эффекту всплытия объектов и плавания над поверхностью Земли. В космосе это способ балансировки и стабилизации объектов в невесомости.

Физика звуковой левитации.

Устройство акустической левитации состоит из двух основных частей:
преобразователя - вибрирующей поверхности, которая производит звуковые волны;
отражателя - пластины, от которой отражается звуковая волна.

Преобразователь и отражатель могут иметь вогнутые поверхности, чтобы фокусировать звук. Чтобы удерживать каплю воды, звуковая волна несколько раз проходит путь от источника к отражателю и обратно. Устройство настраивается определенным образом: отношение длины зазора между преобразователем и отражателем к длине волны равно целому числу. То есть в расстояние между преобразователем и отражателем укладывается натуральное число волн .

Число волн, укладывающихся в промежуток
между преобразователем и отражателем, равно натуральному числу.

Звуковая волна, как и все звуки является продольной волной давления. В продольной волне движение каждой точки параллельно направлению распространения волны.

Волна может отражаться от поверхностей. Отсюда следует закон отражения, в котором говорится, что угол падения - угол между осью падающей волны и нормалью к поверхности - равен углу отражения - углу между осью отраженной волны и нормалью к поверхности. То есть звуковая волна отражается от поверхности под тем же углом, под которым падает на поверхность. Звуковые волны, падающие под углом 90 градусов будут отражаться обратно под тем же углом.

Когда звуковая волна отражается от поверхности, взаимодействие между ее сгущениями и разрежениями создает помехи. Сжатия звуковой волны встречают сжатия отраженной волны. Чтобы волна стояла на месте и не перемещалась, длина волны должна укладываться целое число раз в промежутке между преобразователем и отражателем. Таким образом, создаются замкнутые области густого воздуха и области разреженного воздуха. Используя стоячие звуковые волны можно подвесить в воздухе каплю воды.

Стоячие звуковые волны имеют узлы - области минимального давления - и пучности - области максимального давления. Чтобы капля воды левитировала, необходимо разместить ее в узле звуковой волны. Капля будет лежать между двумя пучностями.

Стоячая звуковая волна образует
области сжатого и разреженного воздуха

Отражатель устанавливается по отношению к преобразователю таким образом, чтобы в расстояние между ними укладывалось целое число длин волн, и области низкого и высокого давления были параллельны оси гравитации. В этом случае звуковая волна создает постоянное давление на каплю воды снизу и уравновешивает силу тяжести.

Акустическая левитация создает области
высокого давления, которые удерживают капли воды

В космосе действует слабая гравитация. Плавающие частицы собираются в узлах звуковых волн и не разлетаются. В условиях земной гравитации частицы располагаются над пучностями, которые препятствуют падению частиц на землю.

Акустическая левитация может применяться в различных сферах: для управления взвешенными в воздухе частицами, поднятия тяжести, стабилизации и координации, позиционирования деталей, устройств на производстве, управления жидкими веществами.

Принцип действия акустической левитации заключается в производстве звуковых волн в закрытой области. За счет сжатия и разрежения воздуха звуковыми волнами образуются области низкого и высокого давления - узлы и пучности стоячей звуковой волны. В узлах действует сила гравитации: частицы воздуха и взвешенные микрочастицы стремятся к центру узла. В пучностях действует сила антигравитации: частицы воздуха и взвешенные частицы стремятся покинуть пучность.

Похожие опыты могут проводиться в магнитном и электрическом поле для преодоления силы тяжести и уравновешивания объектов в левитирующем состоянии.

Парить в воздухе без видимых усилий могут не только джедаи и персонажи Александра Грина. Физики уже давно окрыляют бездушную материю с помощью ультразвука, лазеров и магнитных полей. Зачем? Во-первых, это прикольно. Во-вторых, зависшие между небом и землёй предметы иногда удобнее мирно лежащих на лабораторных столах.

Обычно, чтобы рассмотреть образец в микроскоп, его кладут на предметное стекло и накрывают покровным. Какими бы прозрачными ни были эти две стеклянные пластины, часть информации всё равно теряется. Но, когда объект исследования в буквальном смысле подвешен в воздухе, отпадает надобность в этих приспособлениях.

Кроме того, парение над поверхностью позволяет создавать трёхмерные структуры, например, растить человеческие ткани, которые по понятным причинам не могут правильно сформироваться на плоской подложке. Наконец, мощная магнитная левитация обещает подарить нам транспорт будущего. Ещё бы: ведь при наземном или водном путешествии львиная доля энергии расходуется противодействие трению о поверхность.

Самый простой и дешёвый способ воспарить над миром - акустическая левитация. Каждый, кто чувствовал кожей напор звука на рок-концерте, в принципе, знаком с механизмом её действия. Правда, учёные используют не могучие басы хэви-металла, а неслышный и безвредный для человека ультразвук. На образец снизу накатываются звуковые волны, подобранные таким образом, чтобы их давление компенсировало силу тяжести. Вот и всё, образец застывает в воздухе.

Как и любое инженерное решение, всё очень просто звучит на словах и весьма нетривиально на деле. Чтобы ультразвук действительно приподнял предмет и оставил его висеть неподвижно, а не запустил куда-нибудь в стену или потолок, применяется сложное оборудование, изготовленное на заказ, работающее под высоким напряжением и требующее тщательной настройки.

Солидная лаборатория, конечно, может себе такое позволить, но о том, чтобы любознательный школьник мог изготовить собственный левитатор "на коленке", и речи быть не могло. До самого недавнего времени.

Инженеры из Университета Бристоля во главе с доктором Асьером Марсо (Asier Marzo) недавно представили устройство для левитации, которое можно собрать в домашних условиях.

Оно состоит из парковочных датчиков, электродвигателя, микроконтроллера и части, распечатанной на 3D-принтере (куда же без неё?). Пошаговую инструкцию по сборке можно найти на сайте . С помощью этого девайса можно поднимать в воздух капли жидкости, насекомых и другие мелкие объекты.

Авторы разработки надеются, что их аппарат, простой в изготовлении и использовании, позволит применять акустическую левитацию в любой, самой скромной лаборатории, даже школьной или студенческой. И потом любоваться этим занимательным явлением у себя дома за чаем, например.

Ученые изобрели акустический притягивающий луч, который способен притягивать, отталкивать и переворачивать висящие в разреженном воздухе объекты.

В недавнем научном исследовании объясняется, что действие акустического притягивающего луча основан на звуковых волнах со строго рассчитанной частотой, создающих зону пониженного давления, в которую можно захватить маленькие объекты и перемещать их, управляя движением волн.

Брюс Дринкуотер - инженер-механик Бристольского университета и соавтор исследования рассказал, что хотя последняя демонстрация и была лишь экспериментом, эту технологию можно применять для бесконтактного управления клетками в теле человека или направлении специальных акустических капсул, чтобы таким образом точечно вводить в тело медицинские препараты.

Летающие объекты

Чтобы научиться подвешивать объекты в воздухе, ученые уже перепробовали все, от лазерных лучей до сверхпроводящих магнитных полей. Но в 2014 году исследователи из шотландского Университета Данди показали, что акустические голограммы, действующие по принципу захватывающего луча, теоретически могут притягивать предметы.

“По сути, они лишь предоставили доказательство присутствия в процессе какой-то силы, но не смогли использовать ее для захвата и перемещения объектов”,- рассказал Дринкуотер.

Принцип новой технологии довольно простой: проходящие через определенную среду (например, воздух) звуковые волны c пониженным и повышенным давлением образуют силу.

“Каждый из нас испытывал на себе силу звука: когда вы находитесь на рок-концерте, вы не только слышите, но и чувствуете, как звук проходит через ваше тело и буквально шевелит ваши внутренности. Мы должны придумать, как обуздать эту силу”,- рассказал Дринкуотер порталу Live Science.

Благодаря четко рассчитанной последовательности высвобождения звуковых волн можно образовать зону пониженного давления, способную погасить силу гравитации и таким образом удерживать объект в воздухе. Если он куда-либо перемещается, зоны повышенного давления вокруг него вталкивают его обратно в зону пониженного.

Однако ученые уверяют, что с точностью вычислить необходимые формы и направления звуковых волн довольно сложно; уравнения, на которых основан процесс, нельзя решить на коленке.

Итак, Дринкуотер со своим студентом докторантуры Азиером Марзо и другими коллегами запустили компьютерную симуляцию и пропустили через нее мириады форм звуковых волн, чтобы найти именно ту комбинацию, дающую зону пониженного давления, окруженную зоной повышенного.

Они нашли три разных типа акустических силовых полей, способных вращать, захватывать и перемещать объекты. Первый тип своим действием напоминает пинцет, удерживающий частицы в разреженном воздухе. Второй захватывает их в подобие клетки из зон повышенного давления. А третий тип своим действием напоминает торнадо, со вращающимися зонами повышенного и пониженного давления, образующими что-то вроде “глаза”, в котором объект остается неподвижен. Об этом журналу Nature Communications рассказали ученые.

Чтобы достичь такого результата, команда использовала тонкий ряд из 64 мини динамиков производства компании Ultrahaptics, способных издавать звуковые волны с микроскопической точностью. В предыдущих системах акустической левитации использовалось 4 ряда динамиков; в свою очередь, новая модель способна создавать такой же эффект с использованием лишь одного ряда. Команда исследователей продемонстрировала действие своего притягивающего луча на маленьком шарике пенопласта.

Дринкуотер объяснил, что размер зоны пониженного давления зависит от длины волн: чем она больше, тем больше и сама зона. А максимальная плотность объекта, который может быть перемещен с помощью звуковых полн, зависит от интенсивности звука.

По этой причине звуковые волны действуют лишь в промежутке 140-150 децибел. Если бы человеческие уши могли расслышать этот звук, он был бы невероятно громким, но, к счастью, волны обладают частотой колебания лишь в 40 килогерц и длиной волны лишь 1 сантиметр. Это значит, что люди, в отличие от дельфинов и собак, не могут его услышать.

В данный момент команда способна поднять в воздух пенопластовый шарик диаметром в 5 миллиметров.

Будьте в курсе всех важных событий United Traders - подписывайтесь на наш