Ультразвуковая волшебная палочка 12.01.2015

"Вингардиум левиоса" - таким заклинанием пользовались персонажи из сказочного сериала про Гарри Поттера, чтобы взмахом волшебной палочки заставить предметы летать по воздуху. Но пока писатели и режиссеры придумывают новые фантастические истории, наука шаг за шагом воплощает в жизнь вещи, казавшиеся ранее невозможными. На этот раз дело коснулось перемещения предметов по воздуху, или левитации. Левитацией можно назвать такой физический эффект, при котором предмет без видимой опоры находится или перемещается в воздухе. Например, если обычный магнит поместить над сверхпроводящим материалом, который перед этим был охлажден до низкой температуры, то случится "чудо" - магнит будет свободно парить в воздухе на небольшой высоте. Связано это с особым поведением магнитного поля в сверхпроводниках.

Такое явление, хотя и весьма любопытно, для практического использования малопригодно: потребность перемещать магниты над охлажденным до температуры жидкого азота сверхпроводником возникнет далеко не у каждого. Совсем другое дело, если будет придуман способ бесконтактно перемещать любые объекты, независимо от их природы. Такое изобретение будет широко востребовано в тех областях, где важна чрезвычайная чистота материалов. Например, в фармацевтике или микроэлектронике: там любой лишний контакт с материалом может занести в него нежелательные примеси. Физики из университета Сан-Пауло в Бразилии предложили способ, с помощью которого можно заставить небольшие объекты не только парить в воздухе, но и перемещать их в нужном направлении.

Чтобы преодолеть силу тяжести, исследователи использовали давление, которое оказывают звуковые волны. Ощутить силу звука можно, если встать напротив мощной колонки, работающей на полную громкость. Звук представляет собой колебание, возникающее в какой-либо среде. Это может быть воздух, вода или твердые материалы. В космосе звуковых волн нет, потому что отсутствует среда, в которой они могут распространяться: вакуум - это молчаливая пустота. С физической точки зрения передача звука в воздухе представляет собой движение областей высокого и низкого давления. Колебания давления создают силу, которая может воздействовать на механические объекты. Так устроено наше ухо, где звуки окружающего нас мира передаются в мозг через колебания барабанной перепонки.

Теперь надо вспомнить еще одну особенность колебаний - существование стоячих волн. Простейший пример: если закрепить один конец длинной веревки, а другой перемещать с постоянной частотой вверх-вниз, то некоторые точки веревки будут оставаться неподвижными. Образование такой стоячей волны происходит вследствие наложения двух волн - исходной, созданной движением свободного конца веревки, и отраженной волны. Эффекты, возникающие при наложении звуковых волн друг на друга, легли в основу разработанного метода ультразвуковой левитации. Излучатель испускает ультразвуковые волны, которые отражаются от расположенной на некотором расстоянии поверхности. Излученные и отраженные волны складываются, образуя что-то вроде коридора, в котором чередуются области высокого и низкого давления. Если предмет попадает в область стоячей ультразвуковой волны, энергии волн хватает, чтобы компенсировать силу тяжести, и мы наблюдаем эффект левитации.

Несмотря на то, что метод ультразвуковой левитации начал развиваться несколько лет назад, добиться стабильного удержания предметов в воздухе было весьма не просто. Долгое время не удавалось создать стабильную стоячую ультразвуковую волну достаточной мощности: небольшое перемещение излучателя или отражателя - и эффект пропадал. Чтобы решить эту задачу, Марко Андраде (Marco Andrade) и его коллеги использовали принцип формирования стоячих волн, основанный на многократном отражении. Они изготовили специальный вогнутый отражатель ультразвука, с помощью которого удалось достигнуть левитации небольших пластиковых шариков без точной настройки системы. Даже если держать отражатель волн в руке, эффект левитации не пропадает - еще недавно это казалось невозможным. Такая технология имеет уже гораздо больше шансов на реальное применение.