Ja neieceraties kosmosa vakuumā, skaņa ir visapkārt katru dienu. Bet lielāko daļu laika jūs, iespējams, nedomājat par fizisku klātbūtni. Jūs dzirdat skaņas; tu viņiem nepieskaries. Vienīgie izņēmumi var būt skaļi naktsklubi, automašīnas ar logu grabošiem skaļruņiem un ultraskaņas aparāti, kas pulverizē nierakmeņus. Bet pat tad jūs, visticamāk, nedomājat par to, ko jūtat kā pašu skaņu, bet par vibrācijām, kuras skaņa rada citos objektos.
Ideja, ka kaut kas tik nemateriāls var pacelt objektus, var šķist neticami, taču tā ir īsta parādība. Akustiskā levitācija izmanto skaņas īpašības, lai izraisītu cietvielu, šķidrumu un smago gāzu peldēšanu. Process var notikt normālā vai samazinātā smagumā. Citiem vārdiem sakot, skaņa var izdalīt objektus uz Zemes vai ar gāzi piepildītos nodalījumos kosmosā.
Lai saprastu, kā darbojas akustiskā levitācija, vispirms ir nedaudz jāzina smagums, gaiss un skaņu. Pirmkārt, smagums ir spēks kas liek objektiem piesaistīt viens otru. Vienkāršākais veids, kā izprast gravitāciju, ir caur Īzaka Ņūtona universālās gravitācijas likumu. Šis likums nosaka, ka katra Visuma daļiņa piesaista visas pārējās daļiņas. Jo masīvāks ir objekts, jo spēcīgāk tas piesaista citus objektus. Jo tuvāk objekti ir, jo spēcīgāk tie viens otru piesaista. Milzīgs objekts, piemēram, Zeme, viegli piesaista objektus, kas atrodas tai tuvu, piemēram, āboli, kas karājas no kokiem. Zinātnieki nav precīzi izlēmuši, kas izraisa šo pievilcību, taču viņi uzskata, ka tā pastāv visur Visumā.
Otrkārt, gaiss ir šķidrums kas uzvedas būtībā tāpat kā šķidrumi. Tāpat kā šķidrumi, gaiss ir izgatavots no mikroskopiskām daļiņām, kas pārvietojas viena pret otru. Gaiss pārvietojas tāpat kā ūdens - patiesībā daži aerodinamiskie testi notiek zem ūdens, nevis gaisā. Gāzās esošās daļiņas, piemēram, tās, kas veido gaisu, vienkārši atrodas tālāk viena no otras un pārvietojas ātrāk nekā šķidrumos esošās daļiņas.
Treškārt, skaņa ir vibrācija kas pārvietojas caur vidi, piemēram, gāzi, šķidrumu vai cietu priekšmetu. Skaņas avots ir objekts, kas ļoti ātri pārvietojas vai maina formu. Piemēram, ja atsit zvanu, zvans vibrē gaisā. Tā kā viena zvaniņa puse pārvietojas ārā, tā nospiež blakus esošās gaisa molekulas, palielinot spiedienu šajā gaisa reģionā. Šī augstāka spiediena zona ir a saspiešana. Zvana signāla pusei virzoties atpakaļ, tā atdala molekulas, izveidojot zemāka spiediena reģionu, ko sauc par a retums. Pēc tam zvans atkārto procesu, izveidojot atkārtotu kompresiju un retinājumu frakcijas. Katrs atkārtojums ir viens viļņa garums skaņas viļņa.
Skaņas vilnis pārvietojas, kad kustīgās molekulas stumj un velk molekulas ap tām. Katra molekula pēc kārtas pārvietojas blakus tai. Bez šīs molekulu kustības skaņa nevarētu pārvietoties, tāpēc vakuumā nav skaņas. Varat noskatīties šo animāciju, lai uzzinātu vairāk par skaņas pamatiem.
Šis saturs nav saderīgs ar šo ierīci.
Akustiskās levitācijas lietojumi skaņu ceļo caur šķidrums - parasti gāze, lai līdzsvarotu smagums. Uz Zemes tas var izraisīt priekšmetu un materiālu pacelšanos gaisā. Kosmosā tā var noturēt objektus vienmērīgi, lai tie nepārvietotos vai neplūst.
Process ir atkarīgs no skaņas viļņu, īpaši intensīvu skaņas viļņu, īpašībām. Nākamajā sadaļā mēs apskatīsim, kā skaņas viļņi kļūst spējīgi pacelt objektus.
Pamata akustiskajam levitatoram ir divas galvenās daļas - a devējs, kas ir vibrējoša virsma, kas rada skaņu, un a atstarotājs. Bieži vien devējam un reflektoram ir ieliekts virsmas, kas palīdz fokusēt skaņu. Skaņas vilnis novirzās no devēja un atlec no reflektora. Trīs šī ceļojošā, atstarojošā viļņa pamatīpašības palīdz tai apturēt objektus, kas atrodas gaisā.
Pirmkārt, vilnis, tāpat kā visa skaņa, ir a gareniskā spiediena vilnis. Garenvirzienā viļņa punktu kustība ir paralēla virzienam, ko vilnis pārvietojas. Tas ir tāds kustības veids, kādu jūs redzētu, ja stumjat un izvelkat izstieptā Slinky vienu galu. Tomēr lielākajā daļā ilustrāciju skaņa tiek attēlota kā šķērsvirzienā vilnis, kas ir tas, ko jūs redzētu, ja strauji pārvietotu Slinky vienu galu uz augšu un uz leju. Tas ir vienkārši tāpēc, ka šķērsviļņus ir vieglāk vizualizēt nekā gareniskos viļņus.
Otrkārt, vilnis var atlēkt no virsmām. No tā izriet pārdomu likums, kurā noteikts, ka biežuma leņķis leņķis, ar kādu kaut kas saskaras ar virsmu, ir vienāds ar atstarošanas leņķis - leņķis, kādā tas atstāj virsmu. Citiem vārdiem sakot, skaņas vilnis atlec no virsmas tajā pašā leņķī, kādā tas sasniedz virsmu. Skaņas vilnis, kas 90 grādu leņķī saskaras ar virsmu, atstarosies tieši atpakaļ tajā pašā leņķī. Vienkāršākais veids, kā izprast viļņu atspoguļojumu, ir iztēloties slinky, kas vienā galā ir piestiprināts pie virsmas. Ja jūs paņemat Slinky brīvo galu un strauji to virzījāt uz augšu un pēc tam uz leju, vilnis pārvietosies pavasara garumā. Kad tas būs sasniedzis fiksēto pavasara galu, tas atstarosies no virsmas un atgriezīsies pret jums. Tas pats notiek, ja jūs nospiežat un velkat vienu atsperes galu, izveidojot garenvirzienu.
Visbeidzot, kad skaņas vilnis atstaro virsmu, rodas mijiedarbība starp tā saspiešanu un retināšanu iejaukšanās. Kompresijas, kas atbilst citām kompresijām, pastiprina viena otru, un kompresijas, kas atbilst retumiem, līdzsvaro viena otru. Dažreiz refleksija un traucējumi var apvienoties, lai izveidotu stāvošais vilnis. Šķiet, ka stāvošie viļņi pārvietojas uz priekšu un atpakaļ vai vibrē segmentos, nevis pārvietojas no vietas uz vietu. Šī klusuma ilūzija dod to, kas stāv viļņiem.
Stāvokļa skaņas viļņi ir definēti mezglivai minimālā spiediena apgabali, un antinodes, vai maksimālā spiediena apgabali. Skaņas levitācijas centrā ir stāvoša viļņa mezgli. Iedomājieties upi ar klintīm un krācēm. Dažās upes daļās ūdens ir mierīgs, citās - nemierīgs. Mierīgās upes daļās krājas peldošie gruži un putas. Lai peldošs objekts nekustētos strauji mainīgā upes daļā, tam jābūt noenkurotam vai virzītam pret ūdens plūsmu. Tas būtībā ir tas, ko dara akustiskais levitators, ūdens vietā izmantojot skaņu, kas pārvietojas caur gāzi.
Novietojot atstarotāju pareizā attālumā no devēja, akustiskais levitators rada stāvošu vilni. Kad viļņa orientācija ir paralēla smaguma vilkšanai, stāvošā viļņa daļām ir nemainīgs spiediens uz leju, bet citām - pastāvīgs augšupvērsts spiediens. Mezgliem ir ļoti mazs spiediens.
Kosmosā, kur ir maz gravitācijas, stāvošā viļņa mezglos savācas peldošas daļiņas, kas ir mierīgas un nekustīgas. Uz Zemes objekti savāc tieši zem mezgliem, kur akustiskā starojuma spiediensvai spiediena daudzums, ko skaņas vilnis var radīt uz virsmas, līdzsvaro smaguma vilkmi.
Objekti lidinās nedaudz citā skaņas lauka apgabalā atkarībā no gravitācijas ietekmes.Šāda spiediena nodrošināšanai nepieciešams ne tikai parasts skaņas viļņu daudzums. Nākamajā sadaļā apskatīsim, kas īpašs ir skaņas viļņi akustiskajā levitatorā.
Citi nelineāras skaņas lietojumi
Vairākas medicīniskās procedūras balstās uz nelineāru akustiku. Piemēram, ultraskaņas attēlveidošanā tiek izmantoti nelineāri efekti, kas ļauj ārstiem pārbaudīt mazuļus dzemdē vai apskatīt iekšējos orgānus. Augstas intensitātes ultraskaņas viļņi var arī pulverizēt nierakmeņus, cauterizēt iekšējos ievainojumus un iznīcināt audzējus.
Parastie stāvošie viļņi var būt samērā spēcīgi. Piemēram, stāvošs vilnis gaisa vadā var izraisīt putekļu uzkrāšanos modelī, kas atbilst viļņa mezgliem. Caur istabu atstarojošs stāvošs vilnis var izraisīt vibrācijas objektus. Zemas frekvences stāvošie viļņi var izraisīt arī cilvēku nervozitāti vai dezorientāciju - dažos gadījumos pētnieki tos atrod ēkās, kurās cilvēki ziņo, ka vajā.
Bet šie varoņdarbi ir mazi kartupeļi, salīdzinot ar akustisko levitāciju. Nepieciešams daudz mazāk pūļu, lai ietekmētu putekļu nogulsnēšanos vai stikla satricināšanu, nekā tas nepieciešams priekšmetu pacelšanai no zemes. Parastos skaņas viļņus ierobežo tie lineārs daba. Palielinot viļņa amplitūdu, skaņa kļūst skaļāka, taču tā neietekmē viļņa formas formu vai neizraisa to daudz fiziski spēcīgāku.
Tomēr parasti ir ārkārtīgi intensīvas skaņas - piemēram, skaņas, kas cilvēka ausīm ir fiziski sāpīgas nelineārs. Tās var izraisīt nesamērīgi lielu reakciju uz vielām, kuras tās pārvietojas. Daži nelineāri ietekmē:
Nelineārā akustika ir sarežģīts lauks, un fiziskās parādības, kas izraisa šos efektus, var būt grūti saprotamas. Bet kopumā nelineāras ietekmes var apvienot, lai intensīvu skaņu padarītu daudz jaudīgāku nekā klusāku. Tieši šo iedarbības dēļ viļņa akustiskā starojuma spiediens var kļūt pietiekami stiprs, lai līdzsvarotu smaguma spēku. Intensīva skaņa ir akustiskās levitācijas centrā - daudzu levitatoru pārveidotāji rada skaņas, kas pārsniedz 150 decibelus (dB). Parastā saruna ir aptuveni 60 dB, un skaļš naktsklubs ir tuvāk 110 dB.
Objektu pacelšana ar skaņu nav tik vienkārša kā lieljaudas devēja mērķēšana uz reflektoru. Zinātniekiem jāizmanto arī pareizas frekvences skaņas, lai izveidotu vēlamo stāvošo vilni. Jebkura frekvence var radīt nelineārus efektus pareizajā skaļumā, taču lielākā daļa sistēmu izmanto ultraskaņas viļņus, kas ir pārāk augsti, lai cilvēki tos dzirdētu. Papildus viļņa biežumam un skaļumam pētniekiem jāpievērš uzmanība arī vairākiem citiem faktoriem:
Tas varētu likties kā liels darbs, kas nepieciešams nelielu priekšmetu apturēšanai dažu centimetru attālumā no virsmas. Mazu priekšmetu - vai pat mazu dzīvnieku - izlaišana nelielā attālumā arī varētu šķist par salīdzinoši bezjēdzīgu praksi. Tomēr akustiskajai levitācijai ir vairākas iespējas gan uz zemes, gan kosmosā. Šeit ir daži:
Pētnieki turpina attīstīt jaunus levitācijas sistēmu iestatījumus un jaunus pielietojumus akustiskās levitācijas jomā. Lai uzzinātu vairāk par viņu pētījumiem, skaņu un saistītajām tēmām, apskatiet saites nākamajā lapā.
Citi Levitator iestatījumi
Kaut arī levitators ar vienu devēju un vienu reflektoru var apturēt priekšmetus, daži iestatījumi var palielināt stabilitāti vai atļaut kustību. Piemēram, dažiem levitatoriem ir trīs devēju un reflektoru pāri, kas izvietoti gar X, Y un Z asīm. Citiem ir viens liels raidītājs un viens mazs, pārvietojams atstarotājs; apturētais priekšmets pārvietojas, kad atstarotājs pārvietojas.
Ideja, ka kaut kas tik nemateriāls var pacelt objektus, var šķist neticami, taču tā ir īsta parādība. Uzziniet, kā akustiskā levitācija izmanto skaņas īpašības, lai izraisītu cietvielu, šķidrumu un smago gāzu peldēšanu.