Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2015 № 07

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.

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.

«Сложнее всего было добиться того, чтобы объекты в воздухе перемещались аккуратно, без повреждений», — отметил Димос Поликакос. В итоге исследователи поняли, что ключ к успеху заключается в балансе, то есть приходится выдерживать определенную силу и частоту звуковых волн, чтобы регулировать передвижение капель. Они полагают, что в будущем их наработки пригодятся, например, фармацевтам, которые смогут смешивать лекарства, не притрагиваясь к составляющим веществам.

Следующий шаг, независимо от европейских коллег, сделали сотрудники кафедры прикладной физики китайского Северо-Западного политехнического университета. Они заставили левитировать как предметы неорганические — например, шарики из иридия и жидкой ртути, так и биологические объекты — мелких насекомых и даже рыбок.

Когда руководитель проекта Вэнь Цзюньсе с помощью пинцета стал помещать под излучатель, создающий воздушные колебания при длине звуковой волны 20 мм, мелкую живность — муравьев, пауков, жуков, пчел, головастиков, под влиянием ультразвуковой вибрации они зависали в воздухе. По словам Вэнь Цзюньсе, результаты опыта могут подвигнуть ученых на важные открытия в области биофизики. Кроме того, он позволил себе предположить, что некоторые сказочные персонажи — например, ведьмы, летавшие в ступах и на метлах, — в силу неких природных аномалий могли быть источником подобных невидимых волн и с помощью вибраций преодолевали силу притяжения. (Подробности см. в «ЮТ» № 12 за 2011 г.)

Японским исследователям — сотрудникам Токийского университета и Технологического института Нагои — тоже удалось привести в движение мелкие объекты с помощью сложной системы акустической левитации. Звуковые волны перемещали в пространстве частицы пластика диаметром от 0,6 до 2 мм.

Чтобы двигать по воздуху капли воды, пластиковые частицы, кусочки дерева и даже шурупы, понадобились 4 ряда звуковых колонок. Эти объекты перемещались во всех направлениях в пределах, допускаемых условиями эксперимента, опять-таки с помощью настройки стоячих ультразвуковых волн.

Пока ученые могут использовать акустическую левитацию только для перемещения небольших и легких объектов. Но в скором времени команда швейцарских инженеров-механиков обещает новое исследование по управлению при помощи силы звука тяжелыми предметами, такими как стальные шарики.

Да и вообще звуковая левитация — это весьма перспективный способ преодоления земного притяжения, считают ученые. Поэтому уже сейчас устройствами для акустической левитации заинтересовались в НАСА. Не исключено, что в перспективе подобные устройства можно будет использовать для создания уникального транспорта.

Кстати, конструируя свои устройства для левитации, многие исследователи опирались на теорию российского физика-теоретика Льва Петровича Горькова, опубликованную в статье «О силах, действующих на малую частицу в акустическом поле в идеальной жидкости», которая была напечатана в журнале «Доклады АН СССР» еще в 1961 году.

В литературе также описан опыт, который можно произвести, скажем, в школьном кабинете физики. Если поднести к ультразвуковому генератору полоску бумаги так, чтобы ее свободный конец располагался в 3–5 мм над торцом стержня — излучателя ультразвука, а затем включить генератор, то кончик бумажной полоски под воздействием звуковой волны взовьется вверх и неподвижно зависнет над стержнем.

Осязаемая голограмма воспринимается как поверхность упругого мяча.

ТАКТИЛЬНЫЙ ОБМАН

Мы уже рассказывали вам (см. «ЮТ» № 1 за 2015 г.) об удивительном покрытии, под которым не прощупываются спрятанные предметы. Но это, оказывается, не единственный способ обмануть наши органы чувств. Исследователи теперь способны сделать осязаемыми виртуальные трехмерные изображения — голограммы.