Побит рекорд звуковой левитации шариков

Физики из Бразилии и Великобритании добились акустической левитации шарика рекордного диаметра (по сравнению с длиной используемой звуковой волны) — пять сантиметров. Для этого ученые разработали акустическую «треногу» из трех источников звуковых колебаний. Авторы предполагают, что их разработка может найти применение в условиях микрогравитации — для манипуляций с крупными каплями жидкости и горячими объектами. Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters, кратко о нем сообщает Phys.org.

Традиционная акустическая левитация предполагает использование одного, двух или более динамиков, создающих в воздухе стоячие волны. Такие волны, если бы они были видимыми, со стороны выглядят неподвижными и лишь изменяют свою амплитуду (размах). Обязательное условие их возникновения — интерференция (сложение) нескольких волн от разных источников: например, от динамика и от неподвижного объекта, отражающего исходную волну. Кроме того, в стоячей волне есть специальные точки, узлы, в которых амплитуда остается нулевой.

Поскольку звук — волна колебаний давления, стоячие акустические волны представляют собой области постоянной разности давлений. Эта разница давлений может действовать на объект, помещенный в узел, компенсируя силу тяжести. Но если размеры объекта значительно превосходят длину волны, он выходит за область разности давлений и не может удерживаться звуком. Увеличение мощности звука позволяет лишь уравновесить более массивные объекты, но никак не влияет на ограничения по их размерам. Считается, что максимальный размер шарика, левитируемого с помощью стоячих волн, — четверть длины волны. 

В отличие от традиционных методов в новой работе авторы не пытались поместить шарик в узел стоячей волны. Вместо этого ученые создали стоячие волны между поверхностью шарика и динамиком. По словам физиков, у такой методики нет столь строгих ограничений по размерам левитируемого объекта.

Авторы использовали для левитации три динамика, испускавших звуковые волны на частоте 25 килогерц. Эта частота соответствует ультразвуку с длиной волны около 14 миллиметров. Объектом левитации выступал пятисантиметровый пенопластовый шарик массой 1,46 грамма — его размеры в 3,6 раза превышают длину волны. Динамики создавали стоячую волну в воздушном промежутке между шариком и источником звука. Благодаря этому шарик зависал в воздухе на расстоянии около 7,2 миллиметра от динамиков «треноги» — это чуть больше, чем половина длины волны звука.

Физики отмечают, что сейчас устройство позволяет лишь неподвижно левитировать объекты. В будущем авторы планируют улучшить установку, чтобы перемещать тела с помощью звуковых волн.

Ранее британские физики разработали левитационные перчатки и звуковую отвертку, позволяющие удерживать, перемещать в пространстве и вращать различные объекты. Устройства требуют стабилизации и одновременной работы нескольких динамиков. С помощью одностороннего излучателя британцам удалось создать «притягивающий луч», также способный левитировать и перемещать объекты.

Владимир Королёв