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C√≥mo funciona la levitaci√≥n ac√ļstica

C√≥mo funciona la levitaci√≥n ac√ļstica

La física de la levitación del sonido.

La levitación acústica utiliza la presión del sonido para permitir que los objetos lo haganflotante.

Un levitador acústico básico tiene dos partes principales: una transductor, que es una superficie vibrante que emite sonidos, y reflector. A menudo, el transductor y el reflector tienen cóncavo superficies para ayudar a enfocar el sonido. Una onda de sonido se aleja del transductor y rebota en el reflector. Tres propiedades fundamentales de esta onda en movimiento y reflectante ayudan a suspender objetos en el aire.

Primero, la ola, como todos los sonidos, es una longitudinal onda de presión. En una onda longitudinal, el movimiento de los puntos de la onda es paralelo a la dirección de la onda. Este es el tipo de movimiento que verías si empujaras y tiraras de un extremo de un Slinky alargado. La mayoría de las ilustraciones, sin embargo, representan el sonido como un archivo. transversal ola, que verías moviendo un extremo del Slinky hacia arriba y hacia abajo rápidamente. Esto se debe simplemente a que las ondas transversales son más fáciles de ver que las ondas longitudinales.

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En segundo lugar, la ola puede rebotar en las superficies. LA ley de la reflexión, quien afirma que el ángulo de incidencia – el ángulo en el que algo golpea la superficie – es igual a ángulo de reflexión – el ángulo de salida de la superficie. En otras palabras, una onda de sonido rebota en una superficie en el mismo ángulo que golpea la superficie. Una onda de sonido que llegue a la superficie de la frente en un ángulo de 90 grados se reflejará directamente en el mismo ángulo. La forma más sencilla de entender el reflejo de las ondas es imaginar un Slinky pegado a una superficie en un extremo. Si tomara el extremo suelto de Slinky y lo moviera rápidamente hacia arriba y hacia abajo, una ola viajaría a lo largo de la primavera. Una vez que llegue al extremo fijo del resorte, se reflejará en la superficie y regresará a usted. Lo mismo sucede si empuja y tira de un extremo del resorte, creando una onda longitudinal.

Finalmente, cuando una onda de sonido se refleja en una superficie, provoca la interacción entre sus compresiones y rarefacciones. interferencia. Los cortes que se encuentran con otros cortes se amplifican y los cortes que se encuentran con cortes dispersos se equilibran. A veces, la reflexión y la interferencia se pueden combinar para crear un archivo. onda estacionaria. Las ondas estacionarias parecen moverse hacia adelante y hacia atrás o vibrar en segmentos, en lugar de moverse de un lugar a otro. Esta ilusión de quietud es lo que le da su nombre a las ondas estacionarias.

Llámalo ondas de sonido estacionarias nosotros, o zonas de mínima presión, y antinodoso áreas de máxima presión. Los nudos de una onda estacionaria están en el centro de la levitación acústica. Imagina un río con rocas y rápidos. Las aguas son tranquilas en algunas partes del río y turbulentas en otras. Los escombros flotantes y la espuma se acumulan en las partes tranquilas del río. Para que un objeto flotante permanezca estacionario en una parte del río que se mueve rápidamente, debe estar anclado o empujado contra la corriente del agua. Esto es esencialmente lo que hace un levitador acústico, utilizando el sonido que se mueve a través del gas en lugar del agua.

Al colocar un reflector a la distancia correcta de un transductor, el levitador acústico crea una onda estacionaria. Cuando la orientación de la onda es paralela a la fuerza de la gravedad, partes de la onda estacionaria tienen una presión constante hacia abajo y otras tienen una presión constante hacia arriba. Los nodos ejercen una presión mínima.

En el espacio, donde hay poca gravedad, las partículas flotantes se acumulan en los nodos de las ondas estacionarias, que están tranquilas e inmóviles. En la Tierra, los objetos se juntan justo debajo de los nodos, donde el presión de radiación sonora, o la cantidad de presión que una onda de sonido puede ejercer sobre una superficie, equilibra la fuerza de la gravedad.

Los objetos flotan en un área ligeramente diferente del campo de sonido, dependiendo de la influencia de la gravedad.
Los objetos flotan en un área ligeramente diferente del campo de sonido, dependiendo de la influencia de la gravedad.

Se necesitan más ondas sonoras de las normales para proporcionar esa cantidad de presión. Veremos qué tienen de especial las ondas sonoras en un levitador acústico en la siguiente sección.

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Levitación acústica y sonora no lineal

Las ondas estacionarias normales pueden ser relativamente poderosas. Por ejemplo, una onda estacionaria en un conducto de aire puede hacer que el polvo se acumule en un patrón correspondiente a los nodos de la onda. Una onda estacionaria que reverbera en una habitación puede hacer que los objetos en su camino vibren. Las ondas estacionarias de baja frecuencia también pueden poner nerviosas o confundidas a las personas: en algunos casos, los investigadores las encuentran en edificios que la gente dice que están encantados.

Pero estas hazañas son pequeñas en comparación con la levitación acústica. Se necesita mucho menos esfuerzo para influir en el lugar donde se deposita el polvo o para romper el vidrio que para levantar objetos del piso. Las ondas sonoras comunes están limitadas por su lineal naturaleza. El aumento de la amplitud de la onda hace que el sonido sea más fuerte, pero no afecta la forma de onda ni la hace mucho más potente físicamente.

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Sin embargo, los sonidos extremadamente fuertes, como los que son físicamente dolorosos para los oídos humanos, generalmente son no lineal. Pueden provocar respuestas desproporcionadas en las sustancias por las que pasan. Algunos efectos no lineales incluyen:

  • Formas de onda distorsionadas
  • Ondas de choque, como explosiones sónicas
  • Flujo acústico o flujo constante de fluido a través del cual pasa la onda.
  • Saturación acústica, o el punto en el que la materia ya no puede absorber la energía de la onda de sonido.

La acústica no lineal es un campo complejo y los fenómenos físicos que causan estos efectos pueden ser difíciles de comprender. Pero, en general, los efectos no lineales se pueden combinar para hacer que el sonido intenso sea mucho más potente que el sonido más bajo. Es debido a estos efectos que la presión de la radiación acústica de una onda puede volverse lo suficientemente fuerte como para equilibrar la fuerza de la gravedad. El sonido fuerte es el corazón de la levitación acústica: los transductores de muchos levitadores producen sonidos de más de 150 decibeles (dB). La conversación normal ronda los 60 dB y una discoteca ruidosa se acerca a los 110 dB.

Levantar objetos con sonido no es tan simple como apuntar con un transductor de alta potencia a un reflector. Los científicos también deben usar sonidos con la frecuencia correcta para crear la onda estacionaria deseada. Cualquier frecuencia puede producir efectos no lineales al volumen adecuado, pero la mayoría de los sistemas utilizan ondas ultrasónicas, que son demasiado fuertes para que las personas las escuchen. Además de la frecuencia y el volumen de la onda, los investigadores también deben prestar atención a otros factores:

  • La distancia entre el transductor y el reflector debe ser un múltiplo de la mitad de la longitud de onda del sonido producido por el transductor. Esto produce una onda con nodos y ánodos estables. Algunas ondas pueden producir nodos más utilizables, pero los más cercanos al transductor y al reflector generalmente no son adecuados para levitar objetos. En efecto, las ondas crean una zona de presión cerca de las superficies reflectantes.
  • En un ambiente de microgravedad, al igual que el espacio exterior, las áreas estables dentro de los nodos deben ser lo suficientemente grandes para soportar el objeto flotante. Acerca de En el suelo, las áreas de alta presión justo debajo del nudo también deben ser lo suficientemente grandes. Por esta razón, el objeto que levita debe medir entre un tercio y la mitad de longitud de onda del sonido. Los objetos de más de dos tercios de la longitud de onda del sonido son demasiado grandes para levitar; el campo no es lo suficientemente grande para soportarlos. Cuanto mayor sea la frecuencia del sonido, menor será el diámetro de los objetos que pueden levitar.
  • Los objetos del tamaño adecuado para levitar también deben tener la masa adecuada. En otras palabras, los científicos deben evaluar la densidad del objeto y determinar si la onda de sonido puede producir suficiente presión para contrarrestar la atracción gravitacional sobre él.
  • Las gotas de líquido levitando deben tener un Número de título, que es una razón que describe la tensión superficial, la densidad y el tamaño del líquido en el contexto de la gravedad y el fluido circundante. Si el número de títulos es demasiado bajo, el descenso estallará.
  • La intensidad del sonido no debe exceder la tensión superficial de las gotas de líquido en levitación. Si el campo de sonido es demasiado intenso, la gota se convertirá en una rosquilla y luego explotará.

Puede parecer una tarea difícil colgar objetos pequeños a centímetros de una superficie. Incluso levitar objetos pequeños, o incluso animales pequeños, a corta distancia puede parecer una práctica relativamente inútil. Sin embargo, la levitación acústica tiene varios usos, tanto en el suelo como en el espacio. Éstos son solo algunos:

  • La producción de microchips y dispositivos electrónicos muy pequeños a menudo implica robots o máquinas complejas. Los levitantes acústicos pueden realizar la misma tarea manipulando el sonido. Por ejemplo, la levitación de materiales fundidos se enfriará y endurecerá gradualmente, y en un campo de sonido correctamente ajustado, el objeto sólido resultante es una esfera perfecta. Del mismo modo, una hoja correctamente formada puede obligar al plástico a asentarse y endurecerse solo en las áreas correctas de un microchip.
  • Algunos materiales son corrosivos o reaccionan de manera diferente con los contenedores normales que se usan en análisis químicos. Los investigadores pueden suspender estos materiales en un campo acústico para estudiarlos sin riesgo de contaminación o destrucción de los envases.
  • El estudio de la física de las espumas tiene un gran obstáculo: la gravedad. La gravedad tira del líquido de espuma hacia abajo, secándolo y destruyéndolo. Los investigadores pueden sostener la espuma en campos de sonido para estudiarla en el espacio, sin la interferencia de la gravedad. Esto puede conducir a una mejor comprensión de cómo la espuma realiza actividades como limpiar el agua de mar.

Los investigadores continúan desarrollando nuevas configuraciones para sistemas de levitación y nuevas aplicaciones para levitación acústica. Para obtener más información sobre su investigación, sonidos y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente.

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La levitación acústica permite que floten objetos pequeños, como gotas de líquido.

La levitación acústica permite que floten objetos pequeños, como gotas de líquido.

Foto cortesía de Lloyd Smith Research Group

A menos que viaje en un espacio vacío, el sonido lo rodea todos los días. Pero la mayoría de las veces, probablemente no lo veas como una presencia física. Escuche los sonidos; no los toques. Las únicas excepciones pueden ser clubes ruidosos, automóviles con altavoces que golpean las ventanas y dispositivos ultrasónicos que rocían cálculos renales. Pero incluso entonces, probablemente no esté pensando en lo que escucha como el sonido en sí, sino como las vibraciones que el sonido crea en otros objetos.

La idea de que algo tan intangible pueda levantar objetos puede parecer increíble, pero es un fenómeno real. Levitación acústica explora las propiedades del sonido para hacer flotar sólidos, líquidos y gases pesados. El proceso puede tener lugar en condiciones de gravedad normal o baja. En otras palabras, el sonido puede hacer levitar objetos en la Tierra o en habitaciones llenas de gas en el espacio.

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Para comprender cómo funciona la levitación acústica, primero debe aprender un poco más gravedad, aire Es anillo. Primero, la gravedad es una fuerza que hace que los objetos se atraigan entre sí. La forma más sencilla de entender la gravedad es la ley de gravitación universal de Isaac Newton. Esta ley establece que cada partícula del universo atrae a todas las demás partículas. Cuanto mayor es la masa de un objeto, más fuertemente atrae a otros objetos. Cuanto más cerca están los objetos, más se atraen. Un objeto enorme, como la Tierra, atrae fácilmente los objetos que están cerca de él, como las manzanas que cuelgan de los árboles. Los científicos no han decidido exactamente qué causa esta atracción, pero creen que existe en todo el universo.

Segundo, el aire es un fluido que esencialmente se comporta como líquidos. Al igual que los líquidos, el aire está formado por partículas microscópicas que se mueven entre sí. El aire también se mueve como el agua; de hecho, algunas pruebas aerodinámicas se realizan bajo el agua, no en el aire. Las partículas de los gases, como las que forman el aire, son simplemente más distantes y se mueven más rápido que las partículas de los líquidos.

Tercera, el sonido es vibración moviéndose a través de un medio, como un objeto gaseoso, líquido o sólido. La fuente de un sonido es un objeto que se mueve o cambia muy rápidamente. Por ejemplo, si tocas una campana, la campana vibra en el aire. Cuando sale un lado de la campana, empuja las moléculas de aire a un lado, aumentando la presión en esa región del aire. Esta zona de alta presión es una compresión. A medida que el lado de la campana empuja hacia adentro, separa las moléculas, creando una región de baja presión llamada rarefacción. La campana luego repite el proceso, creando una serie repetida de compresiones y rarefacciones. Cada repetición es un archivo Longitud de onda onda de sonido.

La onda de sonido viaja cuando las moléculas en movimiento empujan y jalan a las moléculas a su alrededor. Cada molécula mueve a su vez la que está adyacente a ella. Sin este movimiento de moléculas, el sonido no podría viajar, por eso no hay sonido en el vacío. Puede ver la animación a continuación para obtener más información sobre los fundamentos del sonido.

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Usos de la levitación acústica anillo viajar a través de un líquido – generalmente un gas – para equilibrar el gravedad. En la Tierra, esto puede hacer que los objetos y materiales sin soporte floten en el aire. En el espacio, puede contener objetos estables para que no se muevan ni cambien.

El proceso se basa en las propiedades de las ondas sonoras, principalmente ondas sonoras intensas. Veremos cómo las ondas sonoras pueden levantar objetos en la siguiente sección.

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