A levitação acústica permite pequenos objetos, como gotículas de líquido, flutuar. Foto cedida por Lloyd Smith Research Group A menos que você viaje para o vácuo do espaço, o som está ao seu redor todos os dias. Mas na maioria das vezes, você provavelmente não pensa nisso como uma presença física. Você ouve sons; você não toca neles. As únicas exceções podem ser casas noturnas barulhentas, carros com alto-falantes barulhentos e máquinas de ultrassom que pulverizam pedras nos rins. Mas mesmo assim, você provavelmente não pensa no que sente como um som em si, mas como as vibrações que o som cria em outros objetos.
A ideia de que algo tão intangível pode levantar objetos pode parecer inacreditável, mas é um fenômeno real. Levitação acústica aproveita as propriedades do som para causar sólidos, líquidos e gases pesados para flutuar. O processo pode ocorrer em gravidade normal ou reduzida. Em outras palavras, o som pode levitar objetos na Terra ou em recintos cheios de gás no espaço.
Para entender como funciona a levitação acústica, primeiro você precisa saber um pouco sobre gravidade , ar e som . Primeiro, gravidade é uma força que faz com que os objetos se atraiam. A maneira mais simples de entender a gravidade é por meio da lei da gravitação universal de Isaac Newton. Esta lei afirma que cada partícula do universo atrai todas as outras partículas. Quanto maior a massa de um objeto, quanto mais fortemente ele atrai outros objetos. Quanto mais próximos os objetos estão, quanto mais fortemente eles se atraem. Um objeto enorme, como a Terra, atrai facilmente objetos que estão próximos a ele, como maçãs penduradas em árvores. Os cientistas não decidiram exatamente o que causa essa atração, mas eles acreditam que existe em todo o universo.
Segundo, o ar é um fluido que se comporta essencialmente da mesma forma que os líquidos. Como líquidos, o ar é feito de partículas microscópicas que se movem em relação umas às outras. O ar também se move como a água - na verdade, alguns testes aerodinâmicos ocorrem debaixo d'água, em vez de no ar. As partículas nos gases, como os que compõem o ar, estão simplesmente mais distantes e se movem mais rápido do que as partículas nos líquidos.
Terceiro, som é uma vibração que viaja por meio de um meio, como um gás, um líquido ou um objeto sólido. A fonte de um som é um objeto que se move ou muda de forma muito rapidamente. Por exemplo, se você tocar um sino, o sino vibra no ar. Conforme um lado do sino sai, empurra as moléculas de ar próximas a ele, aumentando a pressão naquela região do ar. Esta área de maior pressão é um compressão . Conforme a lateral do sino se move de volta, separa as moléculas, criando uma região de baixa pressão chamada de rarefação . O sino então repete o processo, criando uma série repetida de compressões e rarefações. Cada repetição é uma Comprimento de onda da onda sonora.
A onda sonora viaja à medida que as moléculas em movimento empurram e puxam as moléculas ao seu redor. Cada molécula move a próxima a ela por sua vez. Sem este movimento de moléculas, o som não pode viajar, é por isso que não há som no vácuo. Você pode assistir à animação a seguir para aprender mais sobre os fundamentos do som.
Levitação acústica usa som viajando através de um fluido - geralmente um gás - para equilibrar a força de gravidade . Na terra, isso pode fazer com que objetos e materiais pairem sem suporte no ar. No espaço, ele pode segurar objetos estáveis para que eles não se movam ou deslizem.
O processo depende das propriedades das ondas sonoras, ondas sonoras especialmente intensas. Veremos como as ondas sonoras se tornam capazes de levantar objetos na próxima seção.
Levitação acústica usa pressão sonora para permitir objetos flutuar. Um levitador acústico básico tem duas partes principais - um transdutor , que é uma superfície vibrante que faz som, e um refletor . Muitas vezes, o transdutor e o refletor têm côncavo superfícies para ajudar a focalizar o som. Uma onda de som se afasta do transdutor e ricocheteia no refletor. Três propriedades básicas desta viagem, onda refletora ajuda a suspender objetos no ar.
Primeiro, a onda, como todos os sons, é um longitudinal onda de pressão. Em uma onda longitudinal, o movimento dos pontos na onda é paralelo à direção em que a onda viaja. É o tipo de movimento que você veria se empurrasse e puxasse uma das pontas de um Slinky esticado. A maioria das ilustrações, no entanto, retratar o som como um transversal aceno, que é o que você veria se movesse rapidamente uma extremidade do Slinky para cima e para baixo. Isso ocorre simplesmente porque as ondas transversais são mais fáceis de visualizar do que as ondas longitudinais.
Segundo, a onda pode ricochetear nas superfícies. Segue o lei da reflexão , que afirma que o ângulo de incidência - o ângulo em que algo atinge a superfície - é igual ao ângulo de reflexão - o ângulo em que sai da superfície. Em outras palavras, uma onda sonora ricocheteia em uma superfície no mesmo ângulo em que atinge a superfície. Uma onda sonora que atinge uma superfície frontal em um ângulo de 90 graus refletirá diretamente no mesmo ângulo. A maneira mais fácil de entender a reflexão da onda é imaginar um Slinky preso a uma superfície em uma das extremidades. Se você pegar a extremidade livre do Slinky e movê-la rapidamente para cima e para baixo, uma onda viajaria por toda a extensão da primavera. Uma vez que atingiu o fim fixo da primavera, ele se refletiria na superfície e viajaria de volta para você. A mesma coisa acontece se você empurrar e puxar uma extremidade da mola, criando uma onda longitudinal.
Finalmente, quando uma onda de som reflete em uma superfície, a interação entre suas compressões e rarefações causa interferência . As compressões que se encontram com outras compressões se amplificam, e as compressões que atendem às rarefações se equilibram. As vezes, a reflexão e a interferência podem se combinar para criar um onda parada . As ondas estacionárias parecem se mover para frente e para trás ou vibrar em segmentos, em vez de viajar de um lugar para outro. Essa ilusão de quietude é o que dá às ondas estacionárias seu nome.
As ondas sonoras estacionárias definiram nós , ou áreas de pressão mínima, e antinodos , ou áreas de pressão máxima. Os nós de uma onda estacionária estão no cerne da levitação acústica. Imagine um rio com pedras e corredeiras. A água está calma em algumas partes do rio, e é turbulento em outros. Detritos flutuantes e espuma se acumulam em porções calmas do rio. Para que um objeto flutuante fique parado em uma parte de rápido movimento do rio, precisaria ser ancorado ou impulsionado contra o fluxo da água. Isso é essencialmente o que um levitador acústico faz, usando o som movendo-se através de um gás em vez de água.
Ao colocar um refletor à distância certa de um transdutor, o levitador acústico cria uma onda estacionária. Quando a orientação da onda é paralela à força da gravidade, partes da onda estacionária têm uma pressão constante para baixo e outras têm uma pressão constante para cima. Os nós têm muito pouca pressão.
No espaço, onde há pouca gravidade, partículas flutuantes se acumulam nos nós da onda estacionária, que estão calmos e quietos. Na terra, objetos coletam logo abaixo dos nós, onde o pressão de radiação acústica , ou a quantidade de pressão que uma onda sonora pode exercer sobre uma superfície, equilibra a atração da gravidade.
Os objetos pairam em uma área ligeiramente diferente dentro do campo sonoro, dependendo da influência da gravidade. É preciso mais do que ondas sonoras comuns para fornecer essa quantidade de pressão. Veremos o que há de especial nas ondas sonoras em um levitador acústico na próxima seção.
Outros usos para som não linearVários procedimentos médicos dependem de acústica não linear. Por exemplo, a imagem de ultrassom usa efeitos não lineares para permitir que os médicos examinem os bebês no útero ou vejam os órgãos internos. Ondas de ultrassom de alta intensidade também podem pulverizar pedras nos rins, cauterizar lesões internas e destruir tumores.
Ondas estacionárias comuns podem ser relativamente poderosas. Por exemplo, uma onda estacionária em um duto de ar pode fazer com que a poeira se acumule em um padrão correspondente aos nós da onda. Uma onda estacionária que reverbera por uma sala pode fazer com que os objetos em seu caminho vibrem. As ondas estacionárias de baixa frequência também podem fazer com que as pessoas se sintam nervosas ou desorientadas - em alguns casos, pesquisadores os encontram em edifícios que as pessoas relatam serem assombrados.
Mas esses feitos são pequenos se comparados à levitação acústica. É preciso muito menos esforço para influenciar onde a poeira se acomoda ou quebrar um vidro do que levantar objetos do solo. Ondas sonoras comuns são limitadas por seus linear natureza. Aumentar a amplitude da onda faz com que o som fique mais alto, mas não afeta a forma da onda nem a torna muito mais poderosa fisicamente.
Contudo, sons extremamente intensos - como sons que são fisicamente dolorosos para os ouvidos humanos - geralmente são não linear . Eles podem causar respostas desproporcionalmente grandes nas substâncias pelas quais viajam. Alguns efeitos não lineares incluem:
A acústica não linear é um campo complexo, e os fenômenos físicos que causam esses efeitos podem ser difíceis de entender. Mas em geral, efeitos não lineares podem se combinar para tornar um som intenso muito mais poderoso do que um mais silencioso. É por causa desses efeitos que a pressão da radiação acústica de uma onda pode se tornar forte o suficiente para equilibrar a força da gravidade. O som intenso é fundamental para a levitação acústica - os transdutores em muitos levitadores produzem sons acima de 150 decibéis (dB). A conversa normal tem cerca de 60 dB, e uma boate barulhenta está perto de 110 dB.
Levitar objetos com som não é tão simples quanto apontar um transdutor de alta potência para um refletor. Os cientistas também devem usar sons com a frequência correta para criar a onda estacionária desejada. Qualquer frequência pode produzir efeitos não lineares no volume certo, mas a maioria dos sistemas usa ondas ultrassônicas, que são muito agudos para as pessoas ouvirem. Além da frequência e do volume da onda, os pesquisadores também devem prestar atenção a uma série de outros fatores:
Isso pode parecer muito trabalhoso para suspender pequenos objetos a alguns centímetros de uma superfície. Levitar pequenos objetos - ou mesmo pequenos animais - a uma curta distância também pode soar como uma prática relativamente inútil. Contudo, a levitação acústica tem vários usos, tanto no solo quanto no espaço sideral. Aqui estão alguns:
Os pesquisadores continuam a desenvolver novas configurações para sistemas de levitação e novas aplicações para levitação acústica. Para saber mais sobre suas pesquisas, som e tópicos relacionados, confira os links na próxima página.
Outras configurações de levitadorEmbora um levitador com um transdutor e um refletor possa suspender objetos, algumas configurações podem aumentar a estabilidade ou permitir movimento. Por exemplo, alguns levitadores têm três pares de transdutores e refletores, que estão posicionados ao longo do X, Eixos Y e Z. Outros têm um transmissor grande e um pequeno, refletor móvel; o objeto suspenso se move quando o refletor se move.
