Если вы не путешествуете в вакууме пространства, звук окружает вас каждый день. Но большую часть времени вы, вероятно, не думаете об этом как о физическом присутствии. Вы слышите звуки, но не прикасаетесь к ним. Исключение составляют лишь шумные ночные клубы, автомобили с громкоговорителями, дребезжащими в окнах, и ультразвуковые аппараты, которые распыляют 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.
Мысль о том, что нечто столь неосязаемое может поднимать предметы, может показаться невероятной, но это реальный феномен. Акустическая левитация использует свойства звука, чтобы заставить твердые тела, жидкости и тяжелые газы плавать. Процесс может протекать в условиях нормальной или пониженной гравитации. Другими словами, звук может левитировать объекты на Земле или в газонаполненных оболочках в космосе.
Чтобы понять, как работает акустическая левитация, вам сначала нужно немного узнать о гравитации, воздухе и звуке. Во-первых, гравитация-это сила, которая заставляет объекты притягиваться друг к другу. Самый простой способ понять гравитацию-через закон всемирного тяготения Исаака Ньютона. Этот закон гласит, что каждая частица во Вселенной притягивает каждую другую частицу. Чем массивнее объект, тем сильнее он притягивает другие объекты. Чем ближе объекты, тем сильнее они притягивают друг друга. Огромный объект, такой как Земля, легко притягивает предметы, которые находятся рядом с ним, как яблоки, свисающие с деревьев. Ученые еще не решили, что именно вызывает это притяжение, но они считают, что оно существует повсюду во Вселенной.
Во-вторых, воздух-это жидкость, которая ведет себя практически так же, как и жидкости. Подобно жидкостям, воздух состоит из микроскопических частиц, которые движутся относительно друг друга. Воздух также движется, как и вода — на самом деле некоторые аэродинамические испытания проводятся под водой, а не в воздухе. Частицы в газах, как и в воздухе, 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. Источник звука-это объект, который очень быстро движется или меняет форму. Например, если вы ударяете в колокол, колокол вибрирует в воздухе. Когда одна сторона колокола выдвигается, он толкает молекулы воздуха рядом с ним, увеличивая давление в этой области воздуха. Эта область более высокого давления является сжатием. Когда сторона колокола движется назад, он растягивает молекулы друг от друга, создавая область более низкого давления, называемую разрежением. Затем колокол повторяет процесс, создавая повторяющуюся серию сжатий и разрежения. Каждое повторение — это одна длина звуковой волны.
Звуковая волна распространяется, когда движущиеся молекулы толкают и тянут молекулы вокруг себя. Каждая молекула по очереди перемещает соседнюю. Без этого движения молекул звук не мог бы перемещаться, вот почему в вакууме нет звука. Вы можете посмотреть следующую анимацию, чтобы узнать больше об основах звука.
Этот контент не совместим на данном устройстве.
Нажмите на стрелку, чтобы перейти к следующему слайду.
Акустическая левитация использует звук, проходящий через жидкость-обычно газ-для уравновешивания силы тяжести. На Земле это может привести к тому, что предметы и материалы будут парить в воздухе без поддержки. В космосе он может удерживать объекты неподвижно, чтобы они не двигались и не дрейфовали.
Этот процесс опирается на свойства звуковых волн, особенно интенсивных звуковых волн. В следующем разделе мы рассмотрим, как звуковые волны становятся способными поднимать предметы.
Основной акустический левитатор состоит из двух основных частей-преобразователя, представляющего собой вибрирующую поверхность, издающую звук, и отражателя. Часто преобразователь и отражатель имеют вогнутые поверхности, которые помогают фокусировать звук. Звуковая волна отходит от преобразователя и отражается от отражателя. Три основных свойства этой бегущей, отражающей волны помогают ей подвешивать предметы в воздухе.
Во-первых, волна, как и любой звук, является продольной волной давления. В продольной волне движение точек в волне параллельно направлению движения волны. Это такое движение, которое вы бы увидели, если бы толкнули и потянули за один конец растянутого обтягивающего. Большинство иллюстраций, однако, изображают звук как поперечную волну, которую вы бы увидели, если бы быстро переместили один конец обтягивающего вверх и вниз. Это просто потому, что поперечные волны легче визуализировать, чем продольные.
Во-вторых, волна может отскакивать от поверхности. Он следует закону отражения, который гласит, что угол падения-угол, под которым что-то ударяется о поверхность, — равен углу отражения-углу, под которым оно покидает поверхность. Другими словами, звуковая волна отскакивает от поверхности под тем же углом, под которым она ударяется о поверхность. Звуковая волна, которая ударяется о поверхность лоб в лоб под углом 90 градусов, будет отражаться прямо назад под тем же углом. Самый простой способ понять отражение волн-это представить себе обтягивающую оболочку, прикрепленную к поверхности с одного конца. Если вы возьмете свободный конец Слинки и быстро переместите его вверх, а затем вниз, волна пройдет по всей длине пружины. Как только он достигнет неподвижного конца пружины, он отразится от поверхности и отправится обратно к вам. То же самое происходит, если вы толкаете и тянете один конец пружины, создавая продольную волну.
Наконец, когда звуковая волна отражается от поверхности, взаимодействие между ее сжатиями и разрежениями вызывает интерференцию. Сжатия, встречающиеся с другими сжатиями, усиливают друг друга, а сжатия, встречающиеся с разрежениями, уравновешивают друг друга. Иногда отражение и интерференция могут объединиться, чтобы создать стоячую волну. Кажется, что стоячие волны перемещаются вперед и назад или вибрируют сегментами, а не перемещаются с места на место. Эта иллюзия неподвижности и дает стоячим волнам их название.
Стоячие звуковые волны имеют определенные узлы, или области минимального давления, и антиноды, или области максимального давления. Узлы стоячей волны лежат в основе акустической левитации. Представьте себе реку со скалами и порогами. В одних частях реки вода спокойная, в других-бурная. Плавающие обломки и пена собираются в спокойных участках реки. Чтобы плавучий объект оставался неподвижным в быстро движущейся части реки, его нужно было бы поставить на якорь или двигать против течения воды. По сути, это то, что делает акустический левитатор, используя звук, движущийся через газ вместо воды.
Размещая отражатель на нужном расстоянии от преобразователя, акустический левитатор создает стоячую волну. Когда ориентация волны параллельна притяжению силы тяжести, части стоячей волны имеют постоянное давление вниз, а другие-постоянное давление вверх. Узлы имеют очень небольшое давление.
В космосе, где гравитация невелика, плавающие частицы собираются в узлах стоячей волны, которые спокойны и неподвижны. На Земле объекты собираются непосредственно под узлами, где давление акустического излучения или величина давления, которое звуковая волна может оказать на поверхность, уравновешивает тягу гравитации.
Для создания такого давления требуется нечто большее, чем обычные звуковые волны. В следующем разделе мы рассмотрим особенности звуковых волн в акустическом левитаторе.
Некоторые медицинские процедуры основаны на нелинейной акустике. Например, ультразвуковая визуализация использует нелинейные эффекты, чтобы позволить врачам исследовать младенцев в утробе матери или просматривать внутренние органы. Высокоинтенсивные ультразвуковые волны также могут измельчать камни в почках, прижигать внутренние повреждения и разрушать опухоли.
Обычные стоячие волны могут быть относительно мощными. Например, стоячая волна в воздуховоде может вызвать скопление пыли в узле, соответствующем узлам волны. Стоячая волна, отражаясь через комнату, может вызвать вибрацию предметов на своем пути. Низкочастотные стоячие волны также могут вызывать у людей нервозность или дезориентацию-в некоторых случаях исследователи находят их в зданиях, в которых, по словам людей, 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 своей линейной природой. Увеличение амплитуды волны приводит к тому, что звук становится громче, но это не влияет на форму волны и не делает ее намного более физически мощной.
Однако чрезвычайно интенсивные звуки, такие как звуки, которые физически болезненны для человеческого слуха, обычно нелинейны. Они могут вызывать непропорционально большие реакции в веществах, через которые они проходят. Некоторые нелинейные эффекты включают в себя:
Нелинейная акустика-это сложная область, и физические явления, которые вызывают эти эффекты, могут быть трудны для понимания. Но в целом нелинейные эффекты могут объединяться, чтобы сделать интенсивный звук гораздо более мощным, чем более тихий. Именно из-за этих воздействий давление акустического излучения волны может стать достаточно сильным, чтобы уравновесить тягу гравитации. Интенсивный звук занимает центральное место в акустической левитации — преобразователи во многих левитаторах производят звуки, превышающие 150 децибел (дБ). Обычный разговор составляет около 60 дБ, а громкий ночной клуб-ближе к 110 дБ.
Левитировать объекты со звуком не так просто, как наводить мощный преобразователь на отражатель. Ученые также должны использовать звуки правильной частоты, чтобы создать нужную стоячую волну. Любая частота может создавать нелинейные эффекты в нужном объеме, но большинство систем используют ультразвуковые волны, которые слишком высоки, чтобы люди могли их услышать. Помимо частоты и объема волны, исследователи также должны обратить внимание на ряд других факторов:
Это может звучать как большая работа, необходимая для подвешивания небольших объектов в нескольких сантиметрах от поверхности. Левитация небольших предметов — или даже мелких животных-на небольшом расстоянии также может показаться относительно бесполезной практикой. Однако акустическая левитация имеет несколько применений, как на земле, так и в космосе. Вот некоторые из них:
Исследователи продолжают разрабатывать новые установки для систем левитации и новые приложения для акустической левитации. Чтобы узнать больше об их исследованиях, звуке и связанных с ними темах, ознакомьтесь со ссылками на следующей странице.
Хотя левитатор с одним датчиком и одним отражателем может подвешивать объекты, некоторые установки могут повысить устойчивость или позволить движение. Например, некоторые левитаторы имеют три пары преобразователей и отражателей, которые расположены вдоль осей X, Y и Z. Другие имеют один большой передатчик и один маленький подвижный отражатель; подвешенный объект движется, когда движется отражатель.
https://science.howstuffworks.com/acoustic-levitation.htm
Загрузка...
