La levitación acústica permite objetos pequeños, como gotitas de liquido, flotar. Foto cortesía del Lloyd Smith Research Group A menos que viaje al vacío del espacio, el sonido está a tu alrededor todos los días. Pero la mayor parte del tiempo probablemente no lo veas como una presencia física. Escuchas sonidos; no los tocas. Las únicas excepciones pueden ser discotecas ruidosas, coches con parlantes que hacen vibrar las ventanas y máquinas de ultrasonido que pulverizan los cálculos renales. Pero aún así, lo más probable es que no piense en lo que siente como sonido en sí mismo, sino como las vibraciones que crea el sonido en otros objetos.
La idea de que algo tan intangible pueda levantar objetos puede parecer increíble, pero es un fenómeno real. Levitación acústica aprovecha las propiedades del sonido para producir sólidos, líquidos y gases pesados para flotar. El proceso puede tener lugar en gravedad normal o reducida. En otras palabras, el sonido puede hacer levitar objetos en la Tierra o en recintos llenos de gas en el espacio.
Para entender cómo funciona la levitación acústica, primero necesitas saber un poco sobre gravedad , aire y sonido . Primero, la gravedad es una fuerza que hace que los objetos se atraigan entre sí. La forma más sencilla de entender la gravedad es a través de la ley de gravitación universal de Isaac Newton. Esta ley establece que cada partícula del universo atrae a todas las demás partículas. Cuanto más masivo es un objeto, más fuertemente atrae a otros objetos. Los objetos más cercanos son, más fuertemente se atraen entre sí. Un objeto enorme como la tierra, atrae fácilmente los objetos que están cerca de él, como manzanas que cuelgan de los árboles. Los científicos no han decidido exactamente qué causa esta atracción, pero creen que existe en todas partes del universo.
Segundo, el aire es un fluido que se comporta esencialmente de la misma manera que lo hacen los líquidos. Como líquidos el aire está formado por partículas microscópicas que se mueven entre sí. El aire también se mueve como lo hace el agua; de hecho, algunas pruebas aerodinámicas se realizan bajo el agua en lugar de en el aire. Las partículas en los gases, como las que forman el aire, simplemente están más separados y se mueven más rápido que las partículas en los líquidos.
Tercera, el sonido es una vibración que viaja por un medio, como un gas, un objeto líquido o sólido. La fuente de un sonido es un objeto que se mueve o cambia de forma muy rápidamente. Por ejemplo, si tocas una campana, la campana vibra en el aire. Cuando un lado de la campana se mueve hacia afuera, empuja las moléculas de aire a su lado, aumentando la presión en esa región del aire. Esta zona de mayor presión es un compresión . Mientras el lado de la campana vuelve a entrar, separa las moléculas, creando una región de menor presión llamada rarefacción . La campana luego repite el proceso, creando una serie repetida de compresiones y rarefacciones. Cada repetición es una longitud de onda de la onda de sonido.
La onda de sonido viaja cuando las moléculas en movimiento empujan y jalan a las moléculas a su alrededor. Cada molécula mueve la que está a su lado. Sin este movimiento de moléculas, el sonido no podía viajar, por eso no hay sonido en el vacío. Puede ver la siguiente animación para obtener más información sobre los conceptos básicos del sonido.
Usos de la levitación acústica sonido viajando a través de un líquido - generalmente un gas - para equilibrar la fuerza de gravedad . En la tierra, esto puede hacer que objetos y materiales floten sin apoyo en el aire. En el espacio, Puede sostener objetos fijos para que no se muevan ni se desvíen.
El proceso se basa en las propiedades de las ondas sonoras, ondas sonoras especialmente intensas. Veremos cómo las ondas sonoras se vuelven capaces de levantar objetos en la siguiente sección.
La levitación acústica utiliza la presión del sonido para permitir que los objetos flotar. Un levitador acústico básico tiene dos partes principales:una transductor , que es una superficie vibrante que emite sonido, y un reflector . A menudo, el transductor y el reflector tienen cóncavo superficies para ayudar a enfocar el sonido. Una onda de sonido se aleja del transductor y rebota en el reflector. Tres propiedades básicas de este viaje, La onda reflectante le ayuda a suspender objetos en el aire.
Primero, la ola, como todo sonido, es un longitudinal onda de presión. En una onda longitudinal, El movimiento de los puntos de la onda es paralelo a la dirección en la que viaja la onda. Es el tipo de movimiento que verías si empujaras y tiraras de un extremo de un Slinky estirado. La mayoría de las ilustraciones, aunque, representar el sonido como un transverso ola, que es lo que vería si moviera rápidamente un extremo del Slinky hacia arriba y hacia abajo. Esto se debe simplemente a que las ondas transversales son más fáciles de visualizar que las ondas longitudinales.
Segundo, la ola puede rebotar en las superficies. Sigue el ley de la reflexión , que establece que el Ángulo de incidencia - el ángulo en el que algo golpea una superficie - es igual al ángulo de reflexión - el ángulo en el que sale de la superficie. En otras palabras, una onda de sonido rebota en una superficie en el mismo ángulo en el que golpea la superficie. Una onda de sonido que golpea una superficie de frente en un ángulo de 90 grados se reflejará directamente en el mismo ángulo. La forma más fácil de entender la reflexión de ondas es imaginar un Slinky que se adhiere a una superficie en un extremo. Si recogió el extremo libre del Slinky y lo movió rápidamente hacia arriba y hacia abajo, una ola viajaría a lo largo del resorte. Una vez que llegó al final fijo del resorte, se reflejaría en la superficie y viajaría hacia usted. Lo mismo sucede si empuja y tira de un extremo del resorte, creando una onda longitudinal.
Finalmente, cuando una onda de sonido se refleja en una superficie, la interacción entre sus compresiones y rarefacciones provoca interferencia . Las compresiones que se encuentran con otras compresiones se amplifican entre sí, y las compresiones que se encuentran con las rarefacciones se equilibran entre sí. Algunas veces, la reflexión y la interferencia pueden combinarse para crear una onda estacionaria . Las ondas estacionarias parecen moverse hacia adelante y hacia atrás o vibrar en segmentos en lugar de viajar de un lugar a otro. Esta ilusión de quietud es lo que le da su nombre a las ondas estacionarias.
Las ondas sonoras estacionarias han definido nodos , o zonas de mínima presión, y antinodos , o zonas de máxima presión. Los nodos de una onda estacionaria están en el corazón de la levitación acústica. Imagina un río con rocas y rápidos. El agua está tranquila en algunas partes del río, y es turbulento en otros. Los escombros flotantes y la espuma se acumulan en partes tranquilas del río. Para que un objeto flotante se quede quieto en una parte del río que se mueve rápidamente, sería necesario anclarlo o propulsarlo contra el flujo del agua. Esto es esencialmente lo que hace un levitador acústico, utilizando sonido que se mueve a través de un gas en lugar de agua.
Al colocar un reflector a la distancia correcta de un transductor, el levitador acústico crea una onda estacionaria. Cuando la orientación de la onda es paralela a la fuerza de gravedad, porciones de la onda estacionaria tienen una presión descendente constante y otras tienen una presión ascendente constante. Los ganglios tienen muy poca presión.
En el espacio, donde hay poca gravedad, las partículas flotantes se acumulan en los nodos de la onda estacionaria, que están tranquilos y quietos. En la tierra, los objetos se acumulan justo debajo de los nodos, donde el presión de radiación acústica , o la cantidad de presión que una onda de sonido puede ejercer sobre una superficie, equilibra el tirón de la gravedad.
Los objetos flotan en un área ligeramente diferente dentro del campo de sonido dependiendo de la influencia de la gravedad. Se necesita algo más que ondas sonoras ordinarias para suministrar esta cantidad de presión. Veremos qué tienen de especial las ondas sonoras en un levitador acústico en la siguiente sección.
Otros usos del sonido no linealVarios procedimientos médicos se basan en la acústica no lineal. Por ejemplo, Las imágenes por ultrasonido utilizan efectos no lineales para permitir a los médicos examinar a los bebés en el útero o ver los órganos internos. Las ondas de ultrasonido de alta intensidad también pueden pulverizar cálculos renales, cauterizar lesiones internas y destruir tumores.
Las ondas estacionarias ordinarias pueden ser relativamente poderosas. Por ejemplo, una onda estacionaria en un conducto de aire puede hacer que el polvo se acumule en un patrón correspondiente a los nodos de la onda. Una onda estacionaria que reverbera a través de una habitación puede hacer que los objetos en su camino vibren. Las ondas estacionarias de baja frecuencia también pueden hacer que las personas se sientan nerviosas o desorientadas; en algunos casos, los investigadores los encuentran en edificios que la gente dice estar encantados.
Pero estas hazañas son pequeñas papas en comparación con la levitación acústica. Se necesita mucho menos esfuerzo para influir en el lugar donde se deposita el polvo o romper un vidrio que para levantar objetos del suelo. Las ondas sonoras ordinarias están limitadas por su lineal naturaleza. El aumento de la amplitud de la onda hace que el sonido sea más fuerte, pero no afecta la forma de la onda ni hace que sea mucho más poderosa físicamente.
Sin embargo, Los sonidos extremadamente intensos, como los que son físicamente dolorosos para los oídos humanos, generalmente son no lineal . Pueden causar respuestas desproporcionadamente grandes en las sustancias por las que viajan. Algunos efectos no lineales incluyen:
La acústica no lineal es un campo complejo, y los fenómenos físicos que causan estos efectos pueden ser difíciles de comprender. Pero en general, Los efectos no lineales pueden combinarse para hacer un sonido intenso mucho más poderoso que uno más bajo. Es debido a estos efectos que la presión de radiación acústica de una onda puede volverse lo suficientemente fuerte como para equilibrar la fuerza de la gravedad. El sonido intenso es fundamental para la levitación acústica:los transductores de muchos levitadores producen sonidos que superan los 150 decibeles (dB). La conversación normal es de unos 60 dB, y un club nocturno ruidoso está más cerca de 110 dB.
Levantar objetos con sonido no es tan simple como apuntar con un transductor de alta potencia a un reflector. Los científicos también deben usar sonidos de la frecuencia correcta para crear la onda estacionaria deseada. Cualquier frecuencia puede producir efectos no lineales al volumen correcto, pero la mayoría de los sistemas usan ondas ultrasónicas, que son demasiado agudos para que la gente los escuche. Además de la frecuencia y el volumen de la onda, Los investigadores también deben prestar atención a otros factores:
Esto puede parecer que se requiere mucho trabajo para suspender objetos pequeños a unos centímetros de una superficie. Levitar objetos pequeños, o incluso animales pequeños, una distancia corta también puede parecer una práctica relativamente inútil. Sin embargo, La levitación acústica tiene varios usos, tanto en tierra como en el espacio exterior. A continuación, presentamos algunos:
Los investigadores continúan desarrollando nuevas configuraciones para sistemas de levitación y nuevas aplicaciones para levitación acústica. Para obtener más información sobre su investigación, temas de sonido y afines, consulte los enlaces en la página siguiente.
Otras configuraciones de levitadorAunque un levitador con un transductor y un reflector puede suspender objetos, algunas configuraciones pueden aumentar la estabilidad o permitir el movimiento. Por ejemplo, algunos levitadores tienen tres pares de transductores y reflectores, que se colocan a lo largo de la X, Ejes Y y Z. Otros tienen un transmisor grande y uno pequeño, reflector movible; el objeto suspendido se mueve cuando el reflector se mueve.
