La levitazione acustica consente piccoli oggetti, come gocce di liquido, galleggiare. Foto per gentile concessione del Lloyd Smith Research Group A meno che non viaggi nel vuoto dello spazio, il suono è tutto intorno a te ogni giorno. Ma la maggior parte delle volte, probabilmente non lo consideri una presenza fisica. Senti dei suoni; non li tocchi. Le uniche eccezioni possono essere le discoteche rumorose, auto con altoparlanti che sferragliano e macchine ad ultrasuoni che polverizzano i calcoli renali. Ma anche allora, molto probabilmente non pensi a ciò che senti come suono stesso, ma come le vibrazioni che il suono crea in altri oggetti.
L'idea che qualcosa di così intangibile possa sollevare oggetti può sembrare incredibile, ma è un vero fenomeno. Levitazione acustica sfrutta le proprietà del suono per causare solidi, liquidi e gas pesanti per galleggiare. Il processo può avvenire in condizioni di gravità normale o ridotta. In altre parole, il suono può far levitare oggetti sulla Terra o in involucri pieni di gas nello spazio.
Per capire come funziona la levitazione acustica, devi prima sapere qualcosa su gravità , aria e suono . Primo, la gravità è una forza che fa sì che gli oggetti si attraggano l'un l'altro. Il modo più semplice per comprendere la gravità è attraverso la legge di gravitazione universale di Isaac Newton. Questa legge afferma che ogni particella nell'universo attrae ogni altra particella. Più un oggetto è massiccio, più fortemente attrae altri oggetti. Gli oggetti più vicini sono, più fortemente si attraggono. Un oggetto enorme, come la Terra, attrae facilmente gli oggetti che gli sono vicini, come mele appese agli alberi. Gli scienziati non hanno deciso esattamente cosa causa questa attrazione, ma credono che esista ovunque nell'universo.
Secondo, l'aria è un fluido che si comporta essenzialmente allo stesso modo dei liquidi. Come i liquidi, l'aria è costituita da particelle microscopiche che si muovono l'una rispetto all'altra. Anche l'aria si muove come l'acqua, infatti, alcuni test aerodinamici si svolgono sott'acqua anziché in aria. Le particelle nei gas, come quelli che compongono l'aria, sono semplicemente più distanti e si muovono più velocemente delle particelle nei liquidi.
Terzo, il suono è una vibrazione che viaggia attraverso un mezzo, come un gas, un liquido o un oggetto solido. La sorgente di un suono è un oggetto che si muove o cambia forma molto rapidamente. Per esempio, se suoni un campanello, la campana vibra nell'aria. Quando un lato della campana si sposta, spinge le molecole d'aria accanto a sé, aumentando la pressione in quella regione dell'aria. Questa zona di maggiore pressione è a compressione . Quando il lato della campana torna indietro, separa le molecole, creando una regione a pressione più bassa chiamata a rarefazione . La campana quindi ripete il processo, creando una serie ripetuta di compressioni e rarefazioni. Ogni ripetizione è una lunghezza d'onda dell'onda sonora.
L'onda sonora viaggia mentre le molecole in movimento spingono e tirano le molecole intorno a loro. Ogni molecola sposta a sua volta quella accanto. Senza questo movimento di molecole, il suono non poteva viaggiare, ecco perché non c'è suono nel vuoto. Puoi guardare la seguente animazione per saperne di più sulle basi del suono.
Usi della levitazione acustica suono viaggiando attraverso un fluido -- di solito un gas -- per bilanciare la forza di gravità . Sulla terra, ciò può far librare oggetti e materiali senza sostegni in aria. Nello spazio, può tenere gli oggetti fermi in modo che non si muovano o vadano alla deriva.
Il processo si basa sulle proprietà delle onde sonore, onde sonore particolarmente intense. Vedremo come le onde sonore diventano capaci di sollevare oggetti nella prossima sezione.
La levitazione acustica utilizza la pressione sonora per consentire agli oggetti galleggiare. Un levitatore acustico di base ha due parti principali:a trasduttore , che è una superficie vibrante che emette suono, e un riflettore . Spesso, il trasduttore e il riflettore hanno concavo superfici per aiutare a focalizzare il suono. Un'onda sonora si allontana dal trasduttore e rimbalza sul riflettore. Tre proprietà fondamentali di questo viaggio, l'onda riflettente lo aiuta a sospendere gli oggetti a mezz'aria.
Primo, l'onda, come tutti i suoni, è un longitudinale onda di pressione. In un'onda longitudinale, il movimento dei punti nell'onda è parallelo alla direzione in cui viaggia l'onda. È il tipo di movimento che vedresti se spingessi e tirassi un'estremità di uno Slinky allungato. La maggior parte delle illustrazioni, anche se, rappresentare il suono come un trasversale onda, che è quello che vedresti se spostassi rapidamente un'estremità dello Slinky su e giù. Questo è semplicemente perché le onde trasversali sono più facili da visualizzare rispetto alle onde longitudinali.
Secondo, l'onda può rimbalzare sulle superfici. Segue il legge di riflessione , che afferma che angolo di incidenza -- l'angolo con cui qualcosa colpisce una superficie -- è uguale a angolo di riflessione - l'angolo con cui lascia la superficie. In altre parole, un'onda sonora rimbalza su una superficie con lo stesso angolo con cui colpisce la superficie. Un'onda sonora che colpisce frontalmente una superficie con un angolo di 90 gradi si rifletterà direttamente all'indietro con lo stesso angolo. Il modo più semplice per comprendere la riflessione dell'onda è immaginare uno Slinky attaccato a una superficie a un'estremità. Se hai preso l'estremità libera dello Slinky e l'hai spostata rapidamente su e poi giù, un'onda percorrerebbe la lunghezza della sorgente. Una volta raggiunta la fine fissa della primavera, si rifletterebbe sulla superficie e tornerebbe verso di te. La stessa cosa succede se spingi e tiri un'estremità della molla, creando un'onda longitudinale.
Finalmente, quando un'onda sonora si riflette su una superficie, l'interazione tra le sue compressioni e cause di rarefazioni interferenza . Le compressioni che incontrano altre compressioni si amplificano a vicenda, e le compressioni che soddisfano le rarefazioni si bilanciano a vicenda. Qualche volta, la riflessione e l'interferenza possono combinarsi per creare a onda stazionaria . Le onde stazionarie sembrano spostarsi avanti e indietro o vibrare in segmenti piuttosto che viaggiare da un luogo all'altro. Questa illusione di quiete è ciò che dà il nome alle onde stazionarie.
Le onde sonore stazionarie hanno definito nodi , o zone di minima pressione, e antinodi , o zone di massima pressione. I nodi di un'onda stazionaria sono al centro della levitazione acustica. Immagina un fiume con rocce e rapide. L'acqua è calma in alcune parti del fiume, ed è turbolento negli altri. I detriti galleggianti e la schiuma si raccolgono nelle zone tranquille del fiume. Affinché un oggetto galleggiante rimanga fermo in una parte del fiume in rapido movimento, avrebbe bisogno di essere ancorato o spinto contro il flusso dell'acqua. Questo è essenzialmente ciò che fa un levitatore acustico, usando il suono che si muove attraverso un gas al posto dell'acqua.
Posizionando un riflettore alla giusta distanza da un trasduttore, il levitatore acustico crea un'onda stazionaria. Quando l'orientamento dell'onda è parallelo alla forza di gravità, porzioni dell'onda stazionaria hanno una pressione costante verso il basso e altre hanno una pressione costante verso l'alto. I nodi hanno pochissima pressione.
Nello spazio, dove c'è poca gravità, le particelle fluttuanti si raccolgono nei nodi dell'onda stazionaria, che sono calmi e immobili. Sulla terra, gli oggetti si raccolgono appena sotto i nodi, dove il pressione di radiazione acustica , o la quantità di pressione che un'onda sonora può esercitare su una superficie, bilancia la forza di gravità.
Gli oggetti si librano in un'area leggermente diversa all'interno del campo sonoro a seconda dell'influenza della gravità. Ci vuole più delle normali onde sonore per fornire questa quantità di pressione. Vedremo cosa c'è di speciale nelle onde sonore in un levitatore acustico nella prossima sezione.
Altri usi per il suono non lineareDiverse procedure mediche si basano sull'acustica non lineare. Per esempio, l'ecografia utilizza effetti non lineari per consentire ai medici di esaminare i bambini nell'utero o visualizzare gli organi interni. Gli ultrasuoni ad alta intensità possono anche polverizzare i calcoli renali, cauterizzare le lesioni interne e distruggere i tumori.
Le onde stazionarie ordinarie possono essere relativamente potenti. Per esempio, un'onda stazionaria in un condotto dell'aria può causare l'accumulo di polvere secondo uno schema corrispondente ai nodi dell'onda. Un'onda stazionaria che si riverbera in una stanza può far vibrare gli oggetti sul suo percorso. Le onde stazionarie a bassa frequenza possono anche far sentire le persone nervose o disorientate - in alcuni casi, i ricercatori li trovano in edifici che le persone riferiscono di essere infestati.
Ma queste imprese sono piccole patate rispetto alla levitazione acustica. Ci vuole molto meno sforzo per influenzare il punto in cui si deposita la polvere o per frantumare un vetro rispetto a quello necessario per sollevare oggetti da terra. Le onde sonore ordinarie sono limitate dalla loro lineare natura. L'aumento dell'ampiezza dell'onda fa sì che il suono sia più forte, ma non influisce sulla forma della forma d'onda né la rende molto più potente fisicamente.
Però, suoni estremamente intensi - come suoni che sono fisicamente dolorosi per le orecchie umane - di solito sono non lineare . Possono causare risposte sproporzionatamente grandi nelle sostanze che attraversano. Alcuni effetti non lineari includono:
L'acustica non lineare è un campo complesso, e i fenomeni fisici che causano questi effetti possono essere difficili da capire. Ma in generale, gli effetti non lineari possono combinarsi per creare un suono intenso molto più potente di uno più silenzioso. È a causa di questi effetti che la pressione della radiazione acustica di un'onda può diventare abbastanza forte da bilanciare la forza di gravità. Il suono intenso è fondamentale per la levitazione acustica:i trasduttori di molti levitatori producono suoni superiori a 150 decibel (dB). La conversazione ordinaria è di circa 60 dB, e una discoteca rumorosa è più vicina a 110 dB.
Far levitare oggetti con il suono non è così semplice come puntare un trasduttore ad alta potenza su un riflettore. Gli scienziati devono anche utilizzare suoni della frequenza corretta per creare l'onda stazionaria desiderata. Qualsiasi frequenza può produrre effetti non lineari al giusto volume, ma la maggior parte dei sistemi utilizza onde ultrasoniche, che sono troppo acuti per essere ascoltati dalle persone. Oltre alla frequenza e al volume dell'onda, i ricercatori devono anche prestare attenzione a una serie di altri fattori:
Questo potrebbe sembrare un sacco di lavoro necessario per sospendere piccoli oggetti a pochi centimetri da una superficie. Anche far levitare piccoli oggetti - o anche piccoli animali - a breve distanza potrebbe sembrare una pratica relativamente inutile. Però, la levitazione acustica ha diversi usi, sia a terra che nello spazio. Eccone alcuni:
I ricercatori continuano a sviluppare nuove configurazioni per i sistemi di levitazione e nuove applicazioni per la levitazione acustica. Per saperne di più sulla loro ricerca, suoni e argomenti correlati, controlla i link nella pagina successiva.
Altre configurazioni del levitatoreSebbene un levitatore con un trasduttore e un riflettore possa sospendere oggetti, alcune configurazioni possono aumentare la stabilità o consentire il movimento. Per esempio, alcuni levitatori hanno tre coppie di trasduttori e riflettori, che sono posizionati lungo la X, Assi Y e Z. Altri hanno un trasmettitore grande e uno piccolo, riflettore mobile; l'oggetto sospeso si muove quando si muove il riflettore.
