Новый рекорд левитации: физики подвесили в воздухе шарик для гольфа

Сфера поднялась на расстояние в семь миллиметров над ультразвуковым излучателем.

Фото Andrade et al./AIP Publishing.

Схема установки, заставившей парить пенопластовый шарик в воздухе за счёт звуковых волн.

Иллюстрация Applied Physics Letters/перевод "Вести.Наука".

Инженеры из Бразилии и Великобритании поставили новый рекорд акустической левитации, подвесив в воздухе при помощи звука объект размером с шарик для гольфа. Ранее таким образом "летали" лишь капли вещества, и то небольшие, а также не совсем обычные объекты, такие как проводки и двумерные плоскости.

На этот раз ультразвуковые волны, которые человеческое ухо, как правило, услышать не в состоянии, подвесили в воздухе 50-миллиметровый шарик из пенопласта. И это была первая демонстрация, в ходе которой учёные заставили левитировать объект размером больше длины звуковой волны (14 миллиметров, то есть в 3,6 раза больше).

О своём достижении Марку Андради (Marco Andrade) и Джулиу Адамовский (Julio Adamowski) из университета Сан-Паулу, а также Анна Бернассо (Anne Bernassau) из университета Хериота-Уатта в Эдинбурге рассказали в статье, вышедшей в журнале Applied Physics Letters.

"Акустическая левитация маленьких объектов в узлах давления стоячей волны довольно широко известна, однако максимальный размер частиц, которые можно заставить левитировать таким образом составляет четверть длины волны — то есть всего четыре миллиметра, — объясняет Андради. – В нашей статье мы показываем, что комбинация ультразвуковых излучателей позволяет поднять в воздух гораздо больший объект".

К слову, подъёмная сила такова, что сфера парит на высоте семи миллиметров (то есть на расстоянии, равном примерно половине длины звуковой волны).

Существует несколько способов заставить парить объект в воздухе за счёт звука. В данном случае инженеры соорудили "треногу" из ультразвуковых излучателей, которая обеспечивает левитацию сферы из пенопласта. Между мячиком и излучателями образуется стоячая волна, которая и толкает сферу в воздух. Ранее же в других работах физики "ловили" левитирующие объекты в узлах давления стоячей волны, но в данном случае подход иной.

Схема установки, заставившей парить пенопластовый шарик в воздухе за счёт звуковых волн.
Схема установки, заставившей парить пенопластовый шарик в воздухе за счёт звуковых волн.
Иллюстрация Applied Physics Letters/перевод "Вести.Наука".

Как пишут сами разработчики новой системы, угол наклона излучателей и их количество можно менять. Кроме того, они показали, что в теории можно заставить парить в воздухе объекты и другой формы, а также более крупные сферы, а ещё менять позицию "летающих" объектов. "В будущей работе мы хотим создать новые устройства, которые позволят манипулировать большими объектами в воздухе", — говорит Андради.

Отметим, что ранее другие специалисты также показали, что можно заставить левитировать плоский объект размером больше длины волны. Однако тогда они смогли получить лишь вертикальное давление и вынуждены были накалывать свои объекты на иголку, чтобы те в буквальном смысле не улетели прочь. Группа Андради придумала схему, в которой объект занимает стабильное положение сам по себе без дополнительных ухищрений ("тренога" обеспечивает как вертикальное, так и боковое давление).

Акустическая левитация, по мнению физиков, позволит работать с горячими материалами и жидкостями, например, в условиях микрогравитации космоса. Так как на орбите капли за счёт сил поверхностного натяжения принимают более крупные размеры, нежели на Земле, новую технологию можно будет использовать для изучения более объёмных образцов.