левитация волны

Акустический луч впервые заставил левитировать объект больше длины волны.

Образовач
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.
Пенопластовый шарик, левитирующий над устройством
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.
Карта амплитуды (слева) и фазы (справа) возникающей стоячей волны над левитатором: поперечный (сверху) и продольный (снизу) срезы.
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.

Испарения сухого льда помогают увидеть акустические волны, которые генерируются аппаратом акустической левитации.

Учёные из Университета Сассекса (Великобритания) разработали прототип акустического левитатора для переноса по воздуху пищи и напитков.

Как известно, звук представляет собой акустическую волну, которая перемещается в пространстве. Направленные друг на друга излучатели создают стоячую волну — на этом и основана акустическая левитация. Если объект, помещённый в стоячую волну, окажется меньше длины акустической волны более чем в два раза, он зависнет в одной из этих областей.
Разработанный учёными прототип акустического левитатора под названием TastyFloats осуществляет бесконтактную транспортировку еды и напитков. Он может переносить небольшие капли жидкости и кусочки пищи, в том числе и несколько разных продуктов.

Нет, это уже не фантастика: исследователи испытали левитатор на практике.
Для этого британцы поместили в акустическое поле несколько напитков и блюд, среди которых было молоко, вино, кофе с отдельными каплями молока и бургер из четырёх ингредиентов — двух кусков хлеба, мясной котлеты и листа салата. Правда, испытатели отметили, что левитатор TastyFloats слегка меняет вкус пищи — к примеру, сладкий чувствовался более выраженным, а горький, наоборот, стал менее интенсивным.
У акустического левитатора есть множество интересных применений. К примеру, устройство позволяет отказаться от столовых приборов в кафе и ресторанах — нужно будет лишь сидеть за столом и открывать рот, пока TastyFloats доставляет пищу со стола в заданном порядке. Есть и более неординарные варианты — например, кресла для кинотеатра со встроенными ёмкостями для попкорна и газировки, которые будут кормить и поить посетителей.