Хотя наука и считается основной парадигмой развития человеческой цивилизации на протяжении уже как минимум двух столетий, однако восприятие мира большинством людей ещё далеко от научного. Например, для нас является диковинным такое явление, как акустическая левитация. Для повседневного бытового сознания сложно осознать, как с помощью звуковых волн можно заставить левитировать предметы. А между тем данное явление известно, пускай и в теории, учёным уже как минимум несколько десятилетий.
Что такое звук
На самом деле акустическая, или звуковая левитация, то есть стабильное положение предмета, обладающего ощутимой массой, в акустической волне, имеет довольно простое объяснение. Чтобы понять суть данного явления, достаточно вспомнить природу звука, о котором мы ещё со школьных времён знаем, что это волна. Звуковые волны распространяются в различных средах, будь это твёрдое вещество, жидкость или тяжёлый газ. Окружающий нас воздух и есть ничто иное, как тяжёлый газ, вернее, смесь газов.
Существует особый тип звуковых волн - так называемая стоячая волна. Такая волна возникает в особых колебательных системах, при которых звук отражается от некой преграды. При этом звуковая волна не просто отражается, но и накладывается на исходную звуковую волну, причём расположения максимальных и минимальных положений амплитуды должно повторяться. В реальной жизни стоячую звуковую волну можно слышать и наблюдать при игре на музыкальных инструментах - такие волны возникают при вибрации воздуха в трубе органа или при колебаниях струны гитары.
Левитация, то есть своеобразная область невесомости, в которую можно поместить материальный объект, появляется в данном случае в связи с чередованием областей высокого и низкого давления. Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, представляют собой потоки молекул. Накладываясь друг на друга в стоячей акустической волне, эти потоки молекул создают разреженные зоны, в которых воздействие гравитации существенно снижается. Именно благодаря этому попадающий в стоячую волну предмет может фактически зависать, то есть терять свой вес.
Вибрация и отражение
На практике, впрочем, звуковая левитация пока что может осуществляться лишь с небольшими предметами и незначительным количеством того или иного вещества. Также очевидно, что на данный момент акустическая левитация, своими руками воссозданная в бытовых условиях, это сложная задача. Хотя при определённом везении, необходимых знаниях и наличии нужных материалов и приборов такого результата добиться можно. Чаще всего попытки достичь акустической левитации осуществляются с каплей воды.
Любое приспособление для осуществления данного вида левитации должно состоять из преобразующего устройства, обладающего вибрирующей поверхностью, испускающей звуковые волны, и отражательных поверхностей, от которых эти волны будут «отскакивать». Опыты показывают, что эффективнее всего придать как преобразующей вибрирующей поверхности, так и отражателям вогнутую форму. За счёт этого лучше достигается фокусировка звука. Помимо этого, необходимо особое внимание уделить ровности преобразующих и отражающих поверхностей и правильному их расположению относительно друг друга. Потому что звуковая волна должна отражаться от поверхности под тем же углом, под каким она на неё попадает.
Акустическая гравитация является перспективным направлением исследований в практической технологической сфере, так как она почти не зависит от используемых в работе материалов, что снижает стоимость экспериментов. С другой стороны, пока что не удаётся достигнуть звуковой левитации с предметами существенной массы, вес которых исчисляется килограммами и более. Для удержания в состоянии невесомости материальных объектов в данном случае требуются сильные звуковые волны. Поэтому акустическая левитация пока что не слишком устойчива - если поместить в стоячую волну достаточно массивный предмет, то для его поддержания потребуются столь мощные звуковые волны, что их интенсивность может просто разрушить объект.
Швейцарцы не только сыр едят, но и левитируют
При упоминании Швейцарии самыми распространёнными и объяснимыми ассоциациями являются знаменитые швейцарские часы, банки и сыры. Однако в данной стране активно развивается фундаментальная наука, так что неудивительно, что успешные эксперименты с акустической левитацией проводятся именно здесь. Местные учёные в последние годы достигли наибольших успехов в данном направлении. Так, специалисты Швейцарской высшей технической школы (Цюрих) впервые сумели добиться контролируемого полёта предметов в области акустической левитации.
Швейцарцы сумели решить одну из самых каверзных проблем звуковой левитации - размер предмета, помещённого в стоячую волну, не должен превышать половину длины используемой звуковой волны. Если же звуковые волны слишком интенсивные, то они опасны для стабильности осуществляемого процесса. Учёные разработали установку из множества модулей «преобразователь - отражатель», которые уравновешивают друг друга. Испускаемые звуковые волны изменялись с помощью компьютерной программы, благодаря чему удалось достичь управления над левитирующим предметом.
Исследователи смогли не только поочерёдно вращать в различных направлениях зависшую зубочистку, но и добиться соединения в один ком твёрдых частиц и слияния в одну большую каплю нескольких маленьких капель воды.
Разработкой проблемы звуковой левитации занимаются не только в Швейцарии, но и в США. Работники Аргоннской национальной лаборатории близ Чикаго сумели осуществить звуковую левитацию с биологически активными материалами. Пока что это никак не приближает человечество к одному из заветных мечтаний футурологов и писателей-фантастов - к портативному устройству левитации человека. Достижение американских учёных связано прежде всего с медициной и биологией, так как помогает осуществлять различные манипуляции в более стерильных условиях. Впрочем, пока что и это лишь перспективная разработка на будущее - на сегодня масса биологически активного вещества, с которым можно манипулировать в условиях акустической гравитации, не превышает одного миллилитра.
Александр Бабицкий
