Содержание
Левитация для маглов
Есть в мире силы, с которыми люди могут, кажется, только смириться: время не течет вспять, смерть неизбежна, притяжение тянет вниз. Победить их можно только чудом — или волшебством. Чтобы заставить предмет левитировать, маги из мира Джоан Роулинг произносят «Wingardium Leviosa» и делают взмах палочкой. Физикам-маглам есть что на это ответить — им известно немало способов удержать предмет в воздухе без механической опоры.
Чтобы заставить предмет левитировать, нужно сделать две вещи. Во-первых, создать силу, направленную вертикально вверх, чтобы он не упал под действием земного тяготения. Во-вторых, надо позаботиться о том, чтобы зависший в воздухе предмет находился в устойчивом равновесии — то есть самостоятельно возвращался в свое первоначальное положение после того, как его покой потревожат. Иными словами, помимо поддерживающей силы нужна еще и возвращающая. Разумеется, природа обеих сил не должна быть механической — иначе вся левитация свелась бы к тому, чтобы положить предмет на твердую опору или подвесить его.
Magnes Fulcit
Простые постоянные магниты знакомы многим из бытовой жизни — с их помощью вы наверняка вешали атлас на школьную доску или прикрепляли к холодильнику сувениры с курорта. Сила магнетизма была хорошо известна еще в древности: например, Плиний Старший упоминает в своих сочинениях архитектора Тимохариса, который собирался использовать в своде александрийского храма «магнитный камень», чтобы железная статуя под ним парила в воздухе. Плиний, правда, не уточняет, что должно было удержать статую от того, чтобы прилипнуть к потолку.
Но если слегка расширить рамки бытового применения и поэкспериментировать с двумя магнитами, то обнаружится, что их разноименные полюса притягиваются, скрепляя магниты друг с другом не хуже, чем отдельный магнит с доской, а вот соединить их одноименными полюсами сложнее — они отталкиваются. Это явление можно использовать для левитации, создавая в пространстве магнитное поле, которое будет подталкивать нужный предмет вертикально вверх.
Однако если противодействовать силе тяжести при помощи магнетизма сравнительно легко, то создать устойчивое равновесие — уже не так просто. Теорема Ирншоу запрещает статичным парамагнетикам и ферромагнетикам порождать стабильную левитацию: как бы ни старались современный экспериментатор или античный архитектор, без дополнительных условий поворот двух постоянных магнитов даже на совсем небольшой угол приведет к тому, что они развернутся друг к другу противоположными полюсами, отталкивание превратится в притяжение, и полет прекратится.
К счастью, существует сразу несколько путей, которые позволяют обойти этот запрет. Один из них — помещать в магнитное поле диамагнетик. Он, в отличие от парамагнетика, намагничивается не вдоль внешнего поля, а противоположно ему, и теорема Ирншоу не запрещает ему устойчиво зависать в воздухе. А при небольших отклонениях от равновесного положения собственное поле диамагнетика может перестраиваться так, чтобы возвращать его в равновесие. Представить такой эффект можно, мысленно заменив магнитное поле на множество механических пружин, которые закреплены на объекте: при небольших растяжениях и сжатиях относительно равновесия их упругие силы будут сами подстраиваться так, чтобы объект вновь перешел в первоначальное положение.
Подобрать диамагнетик нетрудно: подобное поведение характерно для множества веществ, включая органические соединения — значит, в достаточно сильных полях левитировать могут и живые создания. Известны опыты, когда при индукции поля в десятки тесла удавалось отправить в полет лягушек и мышей — отмечается, что последние адаптировались к подвешенному состоянию примерно за четыре часа.
Похожим образом можно устроить стабильную левитацию при помощи сверхпроводников — материалов, которые при сильном охлаждении полностью теряют электрическое сопротивление (подробнее о механизмах, благодаря которым возможен такой переход, в материале «Ниже критической температуры»). Находясь в сверхпроводящем состоянии, образец вытесняет (или почти вытесняет) из своего объема приложенное к нему внешнее магнитное поле — то есть с точки зрения наблюдателя ведет себя как идеальный диамагнетик, который не просто слегка намагничивается в обратную полю сторону, а как будто становится противоположным магнитом той же силы.
Благодаря этому сверхпроводникам, по сравнению с настоящими диамагнетиками, для левитации требуются в среднем менее сильные поля. В качестве платы за такое удобство приходится, однако, охлаждать материал до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы привести его в сверхпроводящее состояние (но физики работают над этой проблемой — осенью прошлого года им удалось достичь сверхпроводимости при комнатной температуре, правда, при давлении почти в три миллиона атмосфер).
Для левитации можно также комбинировать разные эффекты — например, «подвесить» небольшой магнит в поле сверхпроводящего соленоида и стабилизировать его положение при помощи диамагнетиков — например, человеческих пальцев или учебника по физике.
Другой способ создать стабильную левитацию — использовать нестатические магнитные поля, к которым не относится утверждение теоремы Ирншоу. Например, ниже показано изобретение восьмидесятых годов, своего рода магнитная юла: неподвижный чашеобразный магнит поддерживает своим полем вращающийся над ним магнит в форме волчка.
Если последний раскрутить достаточно быстро, то его левитация будет устойчивой — по аналогии с обычным волчком, при небольших отклонениях от вертикали малые поперечные скорости точек тела будут складываться с большими вращательными скоростями, и волчок продолжит устойчиво вращаться, хотя его ось и будет немного дрожать.
Наконец, можно стабилизировать левитацию при помощи обратной связи — то есть следить за тем, где находится предмет, и регулировать величину магнитного поля так, чтобы оно постоянно удерживало норовящее «соскользнуть» с него тело. Главное в этом деле — успеть. Если магнитное поле опоздает на свою работу, то уже не вернет левитирующему объекту равновесие, а наоборот, еще сильнее дестабилизирует его.
Несмотря на сложности, у этого способа левитации есть весьма широкое практическое применение — например, его используют поезда на магнитной подушке — маглевы (аббревиатура от магнитная левитация). Принцип работы такого транспорта основан на том, что магнитный рельс подстраивается под смещения левитирующего над ним поезда, быстро изменяя свою полярность так, чтобы ускорять (или замедлять) движение — подобно тому, как при помощи постоянных магнитов мы можем ненадолго ускорять один из них, «приманивая» его противоположным полюсом другого.
Маглевы не касаются рельса, а левитируют над ним, а потому являются самым высокоскоростным видом общественного транспорта — их замедляет только сопротивление воздуха. В 2015 году японский маглев на испытаниях установил рекордную скорость свыше 600 километров в час, а проектируемые маглевы в вакуумных тоннелях, вероятно, будут передвигаться на порядок быстрее, преодолевая за час до шести тысяч километров.
Летом 2017 года немецкая фирма ThyssenKrupp продемонстрировала лифт MULTI, который работает по тому же принципу, что и маглевы — то есть левитирует.
Такой лифт способен двигаться не только по вертикали, но и по горизонтали — а значит можно разрабатывать нелинейные шахты, в которых кабины обгоняют друг друга и перемещаются между разными частями здания, повышая пропускную способность системы. А за год до экспериментальной демонстрации канадский инженер, вдохновившись концептом MULTI, предложил использовать такие кабины в качестве передвижных комнат, которые могут скользить вдоль стен здания, зависая у нужных окон и создавая дополнительное пространство.
Lux Pressura
Еще один способ устроить левитацию — это использовать давление света. Гипотезу об этом явлении еще четыре века назад выдвинул Иоганн Кеплер в качестве объяснения тому, что наблюдаемые хвосты комет направлены в сторону от Солнца. Во второй половине XIX века давление света удалось обосновать в рамках классической электродинамики Максвелла, а уже несколько лет спустя теоретический прогноз подтвердился в опытах Петра Лебедева.
Современные представления об электромагнитном излучении несколько шире, чем в теории Максвелла — теперь принято считать, что оно имеет не только волновые, но и корпускулярные свойства. Световой луч можно представлять себе как пучок элементарных частиц — фотонов — каждый из которых переносит порцию энергии и обладает импульсом, а значит, по аналогии с механическими частицами (например, маленькими дробинками), может передавать этот импульс другим телам при взаимодействии. Если создать устройство, которое позволяет грамотно распорядиться этим импульсом, то можно подталкивать предмет потоком излучения в нужном направлении.
В 1986 году американский физик Артур Эшкин вместе с коллегами продемонстрировал работу одного из таких устройств — оптического пинцета. Если с помощью обычного пинцета попытаться работать с объектами микромира — клетками, белками, молекулами (и частицами еще меньше), то такой опыт едва ли закончится успехом — механический инструмент слишком груб для этого и лишь разрушит исследуемую систему. Эшкин догадался заменить механические рычаги на интенсивный лазерный пучок, который при помощи давления света удерживает микроскопические частицы, не затрагивая их внутреннюю структуру.
Чтобы обеспечить левитацию объекта в таком пинцете, лазерный луч фокусируют через объектив микроскопа. В результате у пучка возникает «талия» — сужение, в котором интенсивность (число фотонов, пролетающих через единичное поперечное сечение в единицу времени) резко возрастает от краев пучка к его центру. Из-за этого на микрочастицу, помещенную в пучок, со стороны излучения действует градиентная сила, которая втягивает ее в центр пучка — область наибольшей интенсивности (при этом несмотря на то, что всякая частица стремится попасть в центр, детальное описание этого процесса зависит от соотношения между размерами частицы и длиной волны лазера — подробнее об этом можно узнать в материале «Скальпель и пинцет»)
.
Зажатый в луче света объект немного смещается в направлении от источника лазерного луча, поскольку налетающие фотоны передают ему свой импульс — в результате микрочастица оказывается зафиксирована в очень компактной центральной области, что очень удобно для точных измерений в биологии, физике и медицине. Так, при помощи оптической ловушки в 2018 году австралийские физики измерили действующую на отдельный атом силу с точностью до сотых долей аттоньютона — это в десятки миллиардов триллионов (то есть 10²²) раз меньше, чем типичная сила тяжести, которая действует на человека.
Незадолго до этого американские ученые научились создавать трехмерные цветные голограммы, подсвечивая небольшую частицу, которую передвигали оптическим пинцетом со скоростью почти два метра в секунду. Благодаря инерции человеческого зрения, световой след сливался в единое цветное изображение.
Годом позже физики из Швеции и Германии наблюдали за микрометровыми глицериновыми каплями в лазерном пучке, надеясь отследить их движение и детально описать слияние частиц.
Однако вместо этого неожиданно обнаружили, что при касательных столкновениях левитирующие капли не сливаются, а приобретают устойчивые замкнутые траектории неправильной формы, будто шары в руках невидимого жонглера. На качественном уровне авторы объяснили это тем, что левитирующие капли периодически заслоняют друг от друга луч лазера, а потому градиентная сила и давление излучения периодически меняются, заставляя частицы то снижаться и отлетать от центра пучка, то вновь подлетать к нему и набирать высоту.
Кроме того, теоретические оценки показывают, что силами радиационного давления принципиально возможно удерживать и макроскопические объекты — например, небольшие тонкие зеркала массой в доли миллиграмма. Возможно, в обозримом будущем оптические пинцеты станут уже не просто инструментами для работы в микромире, но и заменят механические в макроскопических опытах.
Calor Fuga
Свет не только давит на предметы, но и нагревает их — благодаря этому тоже можно устроить левитацию.
Дело в том, что когда одна сторона находящегося в воздухе тела нагрета сильнее, чем другая, то молекулы газа отскакивают от нее в среднем быстрее — так возникает фотофоретическая сила.
При этом более нагретой стороной не обязательно становится та, на которую падает свет. Так, в 2004 году ученые Осакского университета пронаблюдали отрицательный фотофорез — миграцию микроскопических капель в лазерном пучке к источнику излучения. Разумеется, такое поведение не смогло бы обеспечить радиационное давление — ведь фотоны в лазерном пучке летят от источника, а значит только отталкивают каплю от него.
Заставить молекулы отскакивать от одной поверхности тела быстрее, чем от другой, может не только разница в температуре. В середине февраля американские физики продемонстрировали, как диски диаметром в полсантиметра левитируют в вакуумной камере при давлении в десятитысячные доли атмосферного, хотя разница в температуре их поверхностей была пренебрежимо мала.
Достичь этого удалось благодаря структуре дисков: снизу их покрывали слоем из углеродных трубок с нанометровыми неоднородностями, а сверху — гладким полимерным материалом.
В результате, несмотря на почти одинаковые температуры верхнего и нижнего слоя, молекулы все равно отскакивали от них по-разному — этого хватило, чтобы с помощью светодиодов преодолеть тяготение и заставить диски левитировать.
Так авторы показали возможность левитации под действием солнечного света в мезосфере, верхнем слое воздушной оболочки Земли. Она уже слишком разрежена для самолетов и воздушных шаров, но еще слишком плотна для космических спутников. Возможно, теперь путь в мезосферу будет открыт для подобных компактных аппаратов — они смогут, например, собирать атмосферные данные для метеорологов и климатологов.
Vox Suspende
Другой вид левитации — акустическая. Когда когерентные акустические волны (с неизменной во времени разностью фаз) накладываются друг на друга, возможно образование стоячей волны — такого состояния колебаний, при котором области минимальной и максимальной амплитуды не движутся, и волна словно замирает в пространстве.
Так образуются статичные области повышенного и пониженного давления — это можно использовать для левитации, помещая в области минимума давления предмет, который по размерам не превышает длину волны. Повышенное давление вокруг будет удерживать его от падения и стабилизировать относительно небольших смещений в стороны.
Если плавно менять фазу и амплитуду звуковых волн, можно менять расположение и «глубину» акустических «ям» — и таким образом заставлять предметы не просто висеть в воздухе, а перемещаться в пространстве. Так, в январе этого года японские инженеры показали устройство, в котором управляемый ультразвуковыми излучателями воздушный шарик стал интерфейсом ввода-вывода.
Экспериментаторы сейчас продолжают бороться с техническими ограничениями акустической левитации — осенью 2018 британские инженеры научили свое устройство огибать препятствия, расположив перед излучателями структурированную пластину с размерами полостей порядка длины волны. Из-за этого фаза каждой из волн меняется так, что при сложении их друг с другом получающееся звуковое поле огибает область вблизи излучателей.
А незадолго до этого другие британские исследователи заставили левитировать предмет крупнее длины волны — для этого они расположили 192 ультразвуковых преобразователя на поверхности сферического сектора и с их помощью вместо обычной стоячей волны создали в воздухе набор звуковых вихрей противоположной направленности. Такая конфигурация звукового поля смогла удержать полистирольный шарик диаметром 1,6 сантиметра — почти вдвое больше длины волны.
Наконец, третьи британские инженеры весной 2020 организовали управление левитацией движениями руки: информацию о ее положении считывал инфракрасный датчик и передавал на ультразвуковые массивы излучателей. В ответ последние регулировали испускаемые волны и перемещали летящий шарик вслед за направлением, на которое указывает палец. Для демонстрации исследователи представили прототип игрового автомата, требующего от игрока проводить шарик через кольца.
При желании простейший (и относительно дешевый) акустический левитатор можно собрать и в домашних условиях — соответствующую инструкцию в 2017 году опубликовали ученые Бристольского университета. В качестве деталей для сборки они предложили использовать ультразвуковые датчики парковки для автомобилей и микроконтроллер Arduino Nano.
Tremor Leva
Для левитации можно приспособить не только колебания, которые распространяются по воздуху, но и вибрации вполне твердых предметов. Дело в том, что когда в физической системе происходят высокочастотные колебания, результатом их усредненного (за период) влияния могут стать вибрационные силы.
Объединяясь с силами, которые действуют без вибраций, такие силы иногда приводят к совершенно контринтуитивным эффектам — примером тому (пусть и не относящимся напрямую к левитации) является маятник Капицы — математический маятник на спице с вертикально вибрирующим подвесом. Когда частота колебаний подвеса многократно превышает собственную частоту колебаний маятника, подвес раскачивает спицу так, что вибрационная сила может обеспечить устойчивые колебания маятника в перевернутом положении — будто бы поле тяжести изменило свое направление.
Подобным образом можно заставить левитировать слой вязкой жидкости над слоем воздуха. Если опора, на которой находится сосуд, быстро раскачивается, то появляющиеся вибрационные силы мешают формированию капель на нижней поверхности жидкости, и она перестает стекать вниз под действием гравитации.
В сентябре 2020 года французские физики выяснили, что таким путем можно не просто заставить жидкость парить в воздухе, но и использовать ее нижнюю поверхность для плавания точно так же, как и верхнюю — и отправили в круиз по «обратной стороне воды» небольшие кораблики. Перевернутые суденышки зеркально повторяли поведение предметов, которые плыли привычным способом по верхней поверхности левитирующего «водоема» (то есть, подобно маятнику Капицы, словно чувствовали обращенную кверху гравитацию).
Ученые объяснили необычное явление тем, что при вибрациях объем тел, погруженный в жидкость, также непрерывно меняется — в результате усредненная выталкивающая сила вместе с силой тяжести удерживают тело на плаву.
Будучи лишь чудом в сознании наших предков, в современном мире левитация стала чуть ли не повседневностью. Она уже зарекомендовала себя и как инструмент для научной и технической работы, и как основа для транспорта, и как способ развлечений.
Прогресс не стоит на месте — возможно, уже в ближайшие годы мы увидим воплощения тех идей, которые сегодня живут только на страницах научных работ, а на им смену придут уже новые способы повисеть в воздухе, которые будут ждать своего часа. Может быть, левитация, напротив, уйдет в прошлое, а нынешние планы и достижения покажутся такими же забавными, как и мечты о парящей железной статуе посреди античного храма. По-настоящему важно совсем другое: как бы уверенно мы ни отрекались от того или иного способа отправить предмет в полет, главный — полет человеческой мысли — не остановится и тогда.
Николай Мартыненко
Акустический луч впервые заставил левитировать объект больше длины волны
Британским физикам впервые удалось создать акустический левитатор, способный с помощью направленного луча от единственного источника удерживать в воздухе объекты размером больше длины волны источника звука.
С помощью создания акустических вихрей нужной конфигурации такое устройство способно заставить левитировать вращающийся полистирольный шарик диаметром 1,6 сантиметра, пишут ученые в Physical Review Letters.
Акустическая левитация объектов основана на создании в воздухе стоячей звуковой волны, способной удерживать частицы в подвешенном состоянии. Механизм основан на создании интерференции когерентных звуковых волн, за счет которой в среде формируются локальные области пониженного и повышенного давления, способные удерживать тело в нужной области пространства. Этот эффект известен еще с первой половины XX века, однако до недавнего времени для реализации механизма акустической левитации было необходимо использование двух источников, что не позволяло создать так называемый акустический захватный луч (tractor beam).
Впервые концепция подобного левитатора была разработана два года назад группой под руководством Азьера Марцо (Asier Marzo) из Бристольского университета. Предложенное учеными устройство с помощью направленного акустического луча было способно удерживать в воздухе полистирольные шарики размером не больше 4 миллиметров.
При этом на максимальный размер левитирующих объектов тогда накладывалось фундаментальное ограничение: они должны были быть, как минимум, в два раза меньше длины стоячей волны.
На этот раз та же группа ученых разработала акустический левитатор, в котором это ограничение удалось преодолеть за счет использования акустических вихрей. В отличие от предыдущей версии левитатора, новое устройство имеет не плоскую геометрию, а сферическую. Предложенное устройство состоит из 192 ультразвуковых преобразователей частотой 40 килогерц (и длиной волны 0,87 сантиметра при комнатной температуре), расположенных на внутренней поверхности сферического сектора диаметром 19,2 сантиметра.
Такая геометрия позволяет не просто создать стоячую волну, а привести к образованию в воздушной среде акустических вихрей, которые могут передавать помещенному в акустическое поле объекту угловой момент. За счет образования в воздухе нескольких вихрей одинаковой спиральности, но с противоположными направлениями в таком поле формируется «виртуальный вихрь», с помощью которого можно удерживать в подвешенном состоянии объекты, даже превосходящие длину стоячей волны, и изменять скорость его вращения.
В результате ученые заставили левитировать полистирольный шарик размером 1,6 сантиметра, что почти в два раза больше длины волны источника. Изменяя направление акустических вихрей и таким образом управляя свойствами виртуального вихря, можно контролировать и скорость вращения шарика.
Ученые также показали, что в двумерной конфигурации (если шарик, например, лежит на столе, то есть одна его координата фиксирована) подобные устройства можно использовать для фокусировки и управляемого вращения частиц даже большего размера. В частности, ученым удалось таким образом управлять шариком диаметром 5 сантиметров, что почти в 6 раз больше длины волны. Поэтому ученые ожидают, что в ближайшем будущем подобные устройства, основанные на создании «виртуальных акустических вихрей», удастся использовать для разработки технологий центрифугирования и управления частицами различного размера: от микрокапсул до макрообъектов.
Несмотря на то, что акустические левитаторы существуют уже достаточно давно, и собрать акустический левитатор можно даже в домашних условиях, пока их довольно редко используют для решения каких-либо практических задач. Тем не менее, некоторые концепции для использования акустической левитации предлагаются. Например, ученые из Университета Сассекса предлагают использовать акустическую левитацию для переноса по воздуху капель воды и частичек пищи.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Домашнее устройство акустической левитации представлено исследователями
Исследователи из Бристольского университета разработали устройство для безопасной левитации объектов, которое можно собрать дома из готовых компонентов. Акустический левитатор TinyLev способен поднимать в воздух небольшие объекты, такие как муравьи, капли кетчупа и капли крови.
В 2000 году будущие лауреаты Нобелевской премии Андре Гейм и Майкл Берри получили Шнобелевскую премию по физике за магнитную левитацию живой лягушки.
Магнитная левитация использует мощное магнитное поле для подвешивания объектов, от высокоскоростных поездов до товаров, выставленных на витрине.
Левитация не только является забавным салонным трюком для физиков, но и имеет важные применения в таких секторах, как транспорт и медицина. Левитация капли крови в диагностическом тесте, например, дает лучшие результаты, чем тестирование на предметном стекле микроскопа, которое влияет на результаты теста.
Хотя объекты значительно менее сильны, чем магнитная левитация, они также могут быть подвешены с помощью звуковых волн. Акустическая левитация использует импульс, переносимый мощными звуковыми волнами, чтобы толкать объекты со всех сторон, эффективно удерживая их в воздухе. Использование ультразвуковых волн, которые слишком высоки, чтобы их могли услышать люди, позволяет левитировать небольшие объекты, не производя при этом оглушительного шума.
«Акустическая левитация поддерживает широкий спектр материалов, от жидкостей до живых существ», — сказал E&T доктор Асьер Марзо, исследователь из Бристольского университета, стоящий за TinyLev.
«[Это] один из самых безопасных методов удержания веществ в воздухе; нет никаких безумно мощных магнитов, которые могли бы раздавить вашу руку, или лазеров, которые ослепили бы вас».
В настоящее время акустические левитаторы изготавливаются с использованием рогов Ланжевена: устройств, которые издают звук с помощью изогнутых поверхностей, которые фокусируют звуковые волны. Рупоры Ланжевена должны изготавливаться из металла на заказ, для работы требуется высокое напряжение и, что наиболее важно, они должны быть тщательно настроены на определенную частоту. Небольшие изменения температуры могут вызвать расстройку.
TinyLev, основанный на работе доктора Марзо и его коллег по ультразвуковым устройствам. Он использует готовые компоненты, не требует опасного высокого напряжения, не требует настройки и может работать в течение длительного периода времени.
Левитатор состоит из двух массивов низковольтных ультразвуковых преобразователей, расположенных над и под объектом в раме, напечатанной на 3D-принтере.
Положение и ориентация преобразователей тщательно продуманы для достижения акустического фокуса при включении. Преобразователи плотно упакованы, чтобы обеспечить сильную вертикальную силу: левитацию против силы тяжести. Меньшие горизонтальные силы помогают стабилизировать объект.
Асьер Марзо © 2017
Экспериментируя с TinyLev, доктор Марзо и его коллеги успешно левитировали муравья, капельки специй, воду и электронные компоненты. TinyLev можно использовать на объектах диаметром до 4 мм (половина длины волны ультразвуковых волн, создающих силу) и плотностью до 2,2 г/см 3 (примерно такой же плотности, как бетон). Объекты также должны быть правильной формы.
«Если объект имеет неправильную форму — например, головастик с вытянутым хвостом, — он станет неустойчивым и начнет вращаться, пока не будет выброшен из акустической ловушки», — объяснил доктор Марзо. «Одно из решений — поместить образец неправильной формы в каплю воды».
Хотя TinyLev, возможно, не сможет воссоздать призовую левитацию лягушки, выполненную Геймом и Берри, даже с головастиком, его уникальные свойства, такие как способность работать в течение длительного периода времени без расстройки, могут позволить проводить эксперименты, которые ранее не проводились. возможный.
«Акустическая левитация использовалась для изучения живых существ в условиях микрогравитации, смешивания химических компонентов без какого-либо реципиента или анализа образцов без отражений от предметного стекла микроскопа», — сказал д-р Марзо ЭиТ .
«Приложения [TinyLev] остались прежними, но теперь они будут доступны для каждой исследовательской лаборатории […] способность нашего левитатора работать в течение продолжительных периодов времени, что позволяет проводить новые долгосрочные эксперименты, такие как проращивание левитирующего семени или изучение эволюции рыбки данио от эмбриона до взрослой особи».
«Эти эксперименты могут дать представление о жизнеспособности выращивания растений или воспроизводства человека в условиях невесомости».
Команда доктора Марзо из Бристольского университета ранее выпустила простой акустический притягивающий луч, который позволяет не исследователям создавать научно-фантастические технологии в домашних условиях. Продолжая доносить лабораторное оборудование до заинтересованных масс, исследователи разработали «пакет инструкций» для людей, которые хотят собрать акустический левитатор дома.
Любитель может собрать свой собственный TinyLev, используя напечатанную на 3D-принтере раму, Arduino (основной микроконтроллер), мотор-дайвер и датчики парковки. Идея состоит в том, что исследователи и даже школьники могут сконструировать устройство самостоятельно.
«Поскольку наш левитатор стоит менее 80 долларов, его легко собрать и использовать безопасное напряжение, мы также ожидаем, что школы и энтузиасты-сделай сам будут его собирать», — сказал доктор Марзо. «Возможно, это могло бы стать обычной научной демонстрацией, как слинки».
Подпишитесь на электронную рассылку E&T News, чтобы каждый день получать подобные замечательные истории на свой почтовый ящик.
Акустическая левитация | Хакадей
18 августа 2021 г., Левин Дэй
Левитация может показаться магией. Однако для определенных объектов и в определенных условиях это фактически решенная технология. Если вы хотите перемещать мелкие частицы или проводить эксперименты с ультразвуковой тактильной обратной связью, SonicSurface может оказаться полезной платформой для экспериментов.
Сборка получена от [UpnaLab] и представляет собой немалый инженерный подвиг. Он состоит из 256 ультразвуковых излучателей в сетке 16×16 с индивидуальной регулировкой фазы по всей панели. Это позволяет генерировать сложные ультразвуковые волновые поля над платой SonicSurface. Две платы также могут быть соединены друг с другом в вертикальной конфигурации. Это позволяет левитировать крошечные частицы в трехмерном пространстве.
Как и следовало ожидать, для выполнения тяжелой работы задействована FPGA — в данном случае Altera CoreEP4CE6.
Команды отправляются на SonicSurface через последовательное соединение USB с подключенного ПК.
Доска в основном ограничена левитацией небольших сферических кусочков пенопласта, при этом ультразвуковое поле левитирует их в воздухе. Тем не менее, видео проекта показывает, как эти крошечные кусочки пены могут быть прикреплены к нитям, лентам и другим объектам, чтобы манипулировать ими с помощью ультразвукового массива.
Возможно, это не простой проект, но он послужит отличной основой для ваших собственных экспериментов с левитацией. Конечно, если вы хотите начать с меньшего, это тоже нормально. Если вы обнаружите какие-либо собственные прорывы в области левитации, обязательно сообщите нам об этом.
Posted in НаукаTagged акустическая левитация, левитация, наука, ультразвуковая левитация
2 февраля 2021 г.
, Левин Дэй
Левитация может показаться магией, но существует множество физических явлений, которыми можно манипулировать для получения желаемого эффекта. В данном случае [Мирко Павлески] построил установку, способную левитировать мелкие легкие частицы с помощью ультразвука.
Установка использует ультразвуковой преобразователь мощностью 60 Вт, работающий на частоте около 40 кГц, для создания стоячей волны в сочетании с отражателем — жестким куском материала, от которого могут отражаться звуковые волны. Взаимодействие между звуковыми волнами, когда они излучаются преобразователем и отражаются от отражателя, создает так называемую стоячую волну, в которой есть области высокой и низкой амплитуды, которые не перемещаются в пространстве. Эти области соответствуют длине волны излучения преобразователя и позволяют помещать легкие куски пенополистирола в области с низкой амплитудой, где они удерживаются на месте волной.
Это поразительно, когда вы впервые видите его в действии, так как кажется, что крошечные частицы просто парят в воздухе ни с того ни с сего.
Ранее мы также исследовали более глубокие применения этой техники. Видео после перерыва.
Продолжить чтение «Сборка ультразвуковой левитационной установки» →
Posted in Разное HacksTagged акустическая левитация, ультразвуковая левитация, ультразвук
10 сентября 2020 г. Брайан МакЭвой
Раньше печатные платы были зелеными или коричневыми и всегда были скрыты. Теперь они могут быть искусными, структурированными и, как электронные бейджи, они составляют весь проект. В этом ключе мы находим Open LEV, настольную безделушку в форме подковы, ощетинившуюся аналоговой схемой, поддерживающей акустический левитатор. [Джон Лефлер] — менеджер инженера-механика в лаборатории 3D-печати колледжа во Флориде, поэтому, конечно, ему нужно, чтобы на его рабочем месте были самые занудные вещи. Вместо того, чтобы прибегнуть к микроконтроллеру, он заполнил список деталей аналоговыми компонентами. Мы должны предположить, что остальная часть его времени ушла на подготовку выставочного зала печатных плат.
Части слоя шелкографии также функциональны. Если вы внимательно посмотрите, где соединяются ультразвуковые преобразователи (серебряные цилиндры), вы увидите глубиномеры, помогающие позиционировать. Вот это умно.
Продолжить чтение «Привлекательный и притягивающий взгляд» →
Posted in The Hackaday PrizeTagged акустическая левитация, акустический левитатор, аналог, аналоговая схема, левитация, стоячая волна, ультразвуковой преобразователь
28 ноября 2018 г., Левин Дэй
Левитация вызывает любопытство и удивление, где бы она ни появлялась. Существует множество способов сделать это, каждый со своими сильными и слабыми сторонами и идеальными вариантами использования. [Юлий Крамер] попробовал свои силы в акустической левитации и решил поделиться своей сборкой.
Сборка основана на поразительном количестве ультразвуковых преобразователей — на самом деле 72. Устройство работает на частоте 40 кГц, что значительно превышает диапазон человеческого слуха.
По 36 штук размещены в верхней и нижней частях 3D-печатного корпуса устройства. Благодаря тщательной конструкции датчики размещены на расстоянии, кратном половине длины волны, друг от друга. Это позволяет устройству создавать стоячую волну с несколькими низкоэнергетическими узлами, в которых можно поднимать небольшие объекты. В этом случае [Юлий] использует небольшие кусочки пенопласта, но отмечает, что капли воды также можно использовать, если соблюдать осторожность, чтобы не пролить их на электронику.
На преобразователи подается прямоугольная волна, генерируемая Arduino Nano. Это дает возможность изменять частоту и фазу волны, что может помочь настроить устройство и обеспечить некоторое движение по вертикальной оси. К сожалению, движение по другим осям невозможно, поскольку кажется, что датчики подключены параллельно. Тем не менее, это может быть хорошим обновлением в более поздней версии.
Этот проект показывает, что устройство, основанное на невероятно точном измерении и управлении, теперь может быть сконструировано в домашних условиях с помощью 3D-принтера и некоторой готовой электроники.
Теперь, когда вы наточили свой свисток, возможно, вы хотели бы заняться лазерной левитацией?
[Спасибо Baldpower за подсказку!]
Posted in НаукаTagged акустическая левитация, акустический левитатор, левитация, левитатор, преобразователь, ультразвук, ультразвук
24 августа 2017 г. Дэн Мэлони
Развлекайте друзей, удивляйте врагов и сбивайте с толку муравьев и других насекомых, насколько они способны сбивать с толку. Выполняйте все это и многое другое с помощью этого удобного домашнего акустического левитатора.
Прежде чем кто-либо подумает об использовании этой техники для создания парящего ховерборда, лучше всего немного снизить свои ожидания. Тем не менее, способность плавать в каплях жидкости и мелких формах жизни — немалый подвиг, и к тому же выглядит очень весело. Пост [Асьера Марзо] Instructable выполняет обещание, которое он дал, когда впервые опубликовал результаты того, что популярная пресса затем, затаив дыхание, окрестила «притягивающим лучом», о котором мы рассказывали еще в январе.
Этот левитатор явно имеет корни в более ранней работе, где полусферические секции, напечатанные на 3D-принтере, изобилуют ультразвуковыми преобразователями, подключенными в фазе. Вторая секция была добавлена для создания стоячих акустических волн в середине пространства, и, как показано на видео ниже, по оси Z можно манипулировать практически всем, что достаточно легкое и хотя бы настолько кооперативное, как муравей.
Есть много возможностей для расширения дизайна [Asier] и, вероятно, более практичных приложений, чем надоедливые ошибки. Устройства для поверхностного монтажа довольно крошечные — возможно, акустический выбор возможен?
Читать далее «Плавающие муравьи и капли жидкости с помощью акустического левитатора» →
Posted in аппаратное обеспечение, Tech HacksTagged акустическая, акустическая левитация, левитация, фазированная решетка, преобразователь, ультразвук
2 декабря 2016 г., автор Анул Махидхария
Дисплеи
Flip-Dot настолько круты, что возвращаются.
Но ничего удивительного, когда у вас есть безумный трехмерный дисплей с перевернутыми точками и точками, парящими в воздухе. Исследователи из университетов Сассекса и Бристоля создали то, что они называют JOLED, массив плавающих пикселей, которыми можно управлять с помощью комбинации ультразвуковых стоячих волн и электростатического поля. Эти «воксели» можно индивидуально перемещать в пространстве с помощью ультразвука, а также индивидуально переворачивать или поворачивать под любым углом с помощью электростатического поля.
Ключ ко всему этому — то, что они называют Объектами Януса — отсюда ДЖОЛЕД. Частицы Януса имеют разные свойства или химический состав на двух противоположных сторонах. Часть каждого вокселя испещрена небольшим количеством нанопорошка диоксида титана. Это придает ему биполярный заряд, который заставляет его реагировать на переменное электростатическое поле и, следовательно, способен к осевому вращению. Затем половину каждого белого вокселя можно покрыть контрастным цветом — красным, синим, черным — для достижения эффекта перевернутой точки.
Диаметр каждого вокселя составляет пару миллиметров. Ультразвуковые приводы выглядят как обычные пьезопередатчики, которые можно найти в мусорном ведре каждого хакера. На прозрачные стеклянные пластины с противоположных сторон воздействует переменное электростатическое поле.
Пока это все еще экспериментальный объект, предназначенный только для исследовательской лаборатории, но будущие приложения были бы интересны. Это все равно, что вырвать дисплеи с электронными чернилами из их плоских стеклянных границ и придать им третье измерение. Короткое двухминутное видео после перерыва хорошо объясняет, что происходит, поэтому посмотрите его. Итак, кто хочет первым построить часы JOLED?
Спасибо [Гарроу] за то, что сообщил нам об этом.
Продолжить чтение «JOLED — 3D Flip Dot Display» →
Posted in Tech HacksTagged акустическая левитация, электростатика, флип-точечный дисплей, флип-точка, Janus Object, JOLED, левитация, ультразвук, воксель
29 октября 2015 г.