Ультразвукова чарівна паличка 12.01.2015

"Вінгардіум левіоса" - таким заклинанням користувалися персонажі з казкового серіалу про Гаррі Поттера, щоб помахом чарівної палички змусити предмети літати в повітрі. Але поки що письменники і режисери вигадують нові фантастичні історії, наука крок за кроком втілює в життя речі, які раніше здавались неможливими. Цього разу справа торкнулася переміщення предметів повітрям, або левітації. Левітацією можна назвати такий фізичний ефект, у якому предмет без видимої опори перебуває чи переміщається повітря. Наприклад, якщо звичайний магніт помістити над надпровідним матеріалом, який перед цим був охолоджений до низької температури, то станеться "диво" - магніт вільно літатиме в повітрі на невеликій висоті. Пов'язано це з особливою поведінкою магнітного поля у надпровідниках.

Таке явище, хоч і дуже цікаво, для практичного використання малопридатне: потреба переміщати магніти над охолодженим до температури рідкого азоту надпровідником виникне далеко не у кожного. Зовсім інша річ, якщо буде вигаданий спосіб безконтактно переміщати будь-які об'єкти, незалежно від їхньої природи. Такий винахід буде широко затребуваним у тих областях, де важлива надзвичайна чистота матеріалів. Наприклад, у фармацевтиці чи мікроелектроніці: там будь-який зайвий контакт із матеріалом може занести до нього небажані домішки. Фізики з університету Сан-Пауло в Бразилії запропонували спосіб, за допомогою якого можна змусити невеликі об'єкти не тільки ширяти в повітрі, а й переміщувати їх у потрібному напрямку.

Щоб подолати силу тяжкості, дослідники використовували тиск, який чинить звукові хвилі. Відчути силу звуку можна, якщо стати навпроти потужної колонки, що працює на повну гучність. Звук є коливанням, що виникає в будь-якому середовищі. Це може бути повітря, вода чи тверді матеріали. У космосі звукових хвиль немає, тому що немає середовища, в якому вони можуть поширюватися: вакуум - це мовчазна порожнеча. З фізичної точки зору передача звуку в повітрі є рух областей високого та низького тиску. Коливання тиску утворюють силу, яка може впливати на механічні об'єкти. Так влаштовано наше вухо, де звуки навколишнього світу передаються в мозок через коливання барабанної перетинки.

Тепер треба згадати ще одну особливість коливань – існування стоячих хвиль. Найпростіший приклад: якщо закріпити один кінець довгої мотузки, а інший переміщати з постійною частотою вгору-вниз, деякі точки мотузки залишатимуться нерухомими. Утворення такої стоячої хвилі відбувається внаслідок накладання двох хвиль - вихідної, створеної рухом вільного кінця мотузки, і відбитої хвилі. Ефекти, що виникають при накладенні звукових хвиль один на одного, стали основою розробленого методу ультразвукової левітації. Випромінювач випромінює ультразвукові хвилі, які відбиваються від розташованої на певній відстані поверхні. Випромінені і відбиті хвилі складаються, утворюючи щось на зразок коридору, в якому чергуються області високого та низького тиску. Якщо предмет потрапляє в область стоячої ультразвукової хвилі, енергії хвиль вистачає, щоб компенсувати силу тяжкості, і ми спостерігаємо ефект левітації.

Незважаючи на те, що метод ультразвукової левітації почав розвиватися кілька років тому, досягти стабільного утримання предметів у повітрі було непросто. Довгий час не вдавалося створити стабільну ультразвукову хвилю, що стоїть, достатньої потужності: невелике переміщення випромінювача або відбивача - і ефект пропадав. Щоб вирішити це завдання, Марко Андраде (Marco Andrade) та його колеги використали принцип формування стоячих хвиль, заснований на багаторазовому відображенні. Вони виготовили спеціальний увігнутий відбивач ультразвуку, за допомогою якого вдалося досягти левітації невеликих пластикових кульок без точного налаштування системи. Навіть якщо тримати відбивач хвиль у руці, ефект левітації не пропадає - ще недавно це здавалося неможливим. Така технологія має набагато більше шансів на реальне застосування.