Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Звуковые волны окружают человека, однако часто он просто не задумывается об их присутствии. Звуки можно слышать, но они не осязаемы. Громкие звуки отрицательно воздействуют на человека, создают шум. Неслышные звуки могут создавать ощущения, однако не воспринимаются сознанием человека.

Звук высокой плотности может стать осязаемым как некоторый предмет. Однако, законы распространения звуковых волн не дают представление о звуке как движущей силе. Что ощущается предметно: сам звук или вибрации окружающих объектов?

Мысль о том, что такое нематериальное может поднимать предметы, может казаться невероятной, но это реальное явление. Акустическая левитация использует свойство звука вызывать колебания в твердом веществе, жидкости и тяжелых газах. Возможность производства антигравитационной силы с помощью звуковых волн была известна в древности.

Акустическая левитация удерживает капли воды

Исследование явления акустической левитации основано на знаниях о силе тяжести, воздухе и волновых свойствах звука.

Гравитация заставляет объекты притягиваться друг у другу. Закон Ньютона представляет простейший способ объяснить природу гравитации. Этот закон гласит, что каждая частица во Вселенной притягивает все другие частицы. Сила притяжения увеличивается с массой объекта. Расстояние между объектами также влияет на силу притяжения. На уровне планет все объекты около поверхности земли падают на землю. Гравитация имеет свои параметры, которые мало изменяются во Вселенной.

В воздухе также могут создаваться потоки, как в жидкостях. Как жидкости, воздух также состоит из микрочастиц, которые движутся относительно земли и относительно друг друга. Воздух также может перетекать, как вода, но так как частицы воздуха не обладают высокой плотностью, они могут двигаться быстрее.

Звук - это вибрации, которые происходят в газе, жидкости, твердой среде. Звуковые волны распространяются от источника, который движется или меняет форму очень быстро с малой амплитудой. Например, удар колокола заставляет вибрировать колокол в воздухе. Колокол движется в одну сторону и толкает молекулы воздуха, заставляя их вытеснять и толкать другие молекулы, создавая область высокого давления. В области высокого давления образуется сжатый воздух. Когда колокол движется обратно, он тянет молекулы воздуха, создавая область низкого давления. В области низкого давления образуется разреженный воздух. Колокол повторяет вибрирующие движения, создавая повторяющиеся серии сжатия и разрежения. Амплитуда колебаний колокола определяет длину волны производимого звука.

Звуковые волны распространяются за счет движения молекул воздуха. Молекулы, расположенные вблизи поверхности колокола, расталкивают окружающие молекулы во всех направлениях. Звук распространяется в окружающей воздушной среде. Если нет молекул, звук не может распространяться. Вот почему в вакууме звук не распространяется. Следующая анимация изображает процесс образования звука.

Способ звуковой левитации основан на использовании звуковых волн для уравновешивания силы тяжести. На Земле это может привести к эффекту всплытия объектов и плавания над поверхностью Земли. В космосе это способ балансировки и стабилизации объектов в невесомости.

Физика звуковой левитации

Устройство акустической левитации состоит из двух основных частей:

• преобразователя - вибрирующей поверхности, которая производит звуковые волны;
• отражателя - пластины, от которой отражается звуковая волна.

Преобразователь и отражатель могут иметь вогнутые поверхности, чтобы фокусировать звук. Чтобы удерживать каплю воды, звуковая волна несколько раз проходит путь от источника к отражателю и обратно. Устройство настраивается определенным образом: отношение длины зазора между преобразователем и отражателем к длине волны равно целому числу. То есть в расстояние между преобразователем и отражателем укладывается натуральное число волн.

Стоячая звуковая волна

Число волн, укладывающихся в промежуток
между преобразователем и отражателем, равно натуральному числу.

Звуковая волна, как и все звуки является продольной волной давления. В продольной волне движение каждой точки параллельно направлению распространения волны.

Волна может отражаться от поверхностей. Отсюда следует закон отражения, в котором говорится, что угол падения - угол между осью падающей волны и нормалью к поверхности - равен углу отражения - углу между осью отраженной волны и нормалью к поверхности. То есть звуковая волна отражается от поверхности под тем же углом, под которым падает на поверхность. Звуковые волны, падающие под углом 90 градусов будут отражаться обратно под тем же углом.

Когда звуковая волна отражается от поверхности, взаимодействие между ее сгущениями и разрежениями создает помехи. Сжатия звуковой волны встречают сжатия отраженной волны. Чтобы волна стояла на месте и не перемещалась, длина волны должна укладываться целое число раз в промежутке между преобразователем и отражателем. Таким образом, создаются замкнутые области густого воздуха и области разреженного воздуха. Используя стоячие звуковые волны можно подвесить в воздухе каплю воды.

Стоячие звуковые волны имеют узлы - области минимального давления - и пучности - области максимального давления. Чтобы капля воды левитировала, необходимо разместить ее в узле звуковой волны. Капля будет лежать между двумя пучностями.

Области низкого и высокого давления

Стоячая звуковая волна образует
области сжатого и разреженного воздуха

Отражатель устанавливается по отношению к преобразователю таким образом, чтобы в расстояние между ними укладывалось целое число длин волн, и области низкого и высокого давления были параллельны оси гравитации. В этом случае звуковая волна создает постоянное давление на каплю воды снизу и уравновешивает силу тяжести.

Капля воды расположена в узле

Акустическая левитация создает области
высокого давления, которые удерживают капли воды

В космосе действует слабая гравитация. Плавающие частицы собираются в узлах звуковых волн и не разлетаются. В условиях земной гравитации частицы располагаются над пучностями, которые препятствуют падению частиц на землю.

Акустическая левитация может применяться в различных сферах: для управления взвешенными в воздухе частицами, поднятия тяжести, стабилизации и координации, позиционирования деталей, устройств на производстве, управления жидкими веществами.

Принцип действия акустической левитации заключается в производстве звуковых волн в закрытой области. За счет сжатия и разрежения воздуха звуковыми волнами образуются области низкого и высокого давления - узлы и пучности стоячей звуковой волны. В узлах действует сила гравитации: частицы воздуха и взвешенные микрочастицы стремятся к центру узла. В пучностях действует сила антигравитации: частицы воздуха и взвешенные частицы стремятся покинуть пучность.

Похожие опыты могут проводиться в магнитном и электрическом поле для преодоления силы тяжести и уравновешивания объектов в левитирующем состоянии.