Левитация, то есть бесконтактное преодоление силы притяжения, является одним из активно разрабатываемых направлений исследований современных учёных. Использование данного феномена открывает широкие перспективы для развития технологий и создания более совершенных технических средств. Наибольшего прогресса на сегодняшний день исследователям и инженерам позволяет добиться магнитная левитация. Именно на ней основаны такие современные технологические нововведения, как поезда на магнитной «подушке» или специальные ветрогенераторы.
Магнитная левитация - не левитация магнита
Зачастую можно столкнуться с распространённым заблуждением, что магнитная левитация это свободный полёт магнита. В действительности имеется в виду левитация в магнитном поле, то есть преодоление гравитационных сил, направленных на материальный предмет, с помощью воздействия на него магнитного поля. Магнитное поле обладает такой характеристикой, как магнитное давление, которое может быть использовано для нейтрализации силы гравитации. Другими словами, если сила притяжения «давит» на тело сверху вниз, то магнитное давление можно направить таким образом, что оно будет «давить» на объект снизу вверх.
Сложность практического осуществления магнитной левитации состоит в том, что само по себе статическое магнитное поле не в состоянии противостоять силе притяжения.
Для этого магнитное давление слишком неустойчиво и нестабильно, оно не может быть сфокусированным в одной точке пространства. Однако с помощью внедрения дополнительных элементов эту проблему можно решить, то есть стабилизировать магнитное поле и с его помощью зафиксировать предмет в гравитационном поле. Это означает, что посредством магнитного поля, обладающего динамической устойчивостью, можно фактически создать область невесомости. Динамическая устойчивость магнитного поля достигается различными способами. Наиболее распространено внедрение в систему электрического тока с помощью сверхпроводящих материалов (имеющих нулевое электрическое сопротивление при определённой температуре). Также используются электромагнитные установки, регулируемые электронной системой стабилизации.
Железные дороги на левитации
На самом деле давняя цель учёных-энтузиастов и всевозможных футурологов - использование левитации для перемещения человека - уже достигнута. Правда, большинство проектов разрабатывают идею портативного левитационного устройства, предельно компактного (размером и весом с обычный рюкзак, например), которым может воспользоваться человек для контролируемого, но при этом свободного полёта. Но реализованная идея магнитной левитации куда практичнее - это высокоскоростные поезда на магнитной подушке.
Такие поезда, которые часто именуются маглевы (от словосочетания «магнитная левитация»), уже являются составной частью транспортной инфраструктуры Японии. Правда, и в этой стране поезда на магнитной подушке занимают ничтожную часть в общем объёме транспортных средств. Причина проста и банальна - создание транспортной сети для маглевов требует весьма значительных финансовых вливаний. К сожалению, существующие железные дороги не могут быть использованы для поездов будущего поколения.
Маглевы используют совершенно иной принцип движения - они передвигаются на электромагнитном поле, создаваем мощными магнитами, проложенными под колеей.
Движение осуществляется с помощью линейного двигателя, который может располагаться как на всём протяжении дороги, так и в самом поезде. То обстоятельство, что такие поезда практически осуществляют левитационный полёт, то есть не соприкасаются с поверхностью земли, помогают им избежать потерь скорости на трении. Единственным тормозящим фактором для такого поезда является аэродинамическое сопротивление встречного воздуха. На испытаниях маглевы показывали скорость примерно в 1000 километров в час, а в ходе эксплуатационных рейсов с пассажирами на борту, достигали скорости в почти 600 километров в час. Более того: разрабатывается идея строительства специальных тоннелей, в которых будет достигнуто состояние почти что вакуума. За счёт этого снизятся и потери скорости от аэродинамического сопротивления и поезда смогут передвигаться ещё быстрее. Но на данный момент создание широкой транспортной сети для маглевов проблематично: придётся создавать магистрали, фактически дублирующие существующую дорожную сеть для традиционных видов транспорта.
Левитация поможет получать энергию
Другим очень перспективным направлением практического использования магнитной левитации являются магнитные подшипники, используемые в качестве ключевых деталей различных устройств и механизмов. Очевидным преимуществом подшипников на магнитной левитации является снятие проблемы износа материала. Традиционные подшипники достаточно быстро приходят в негодность, так как на них приходится основная механическая нагрузка. Зачастую это означает не только дополнительные расходы, но и повышенный риск безопасности для жизни и здоровья людей. В магнитных подшипниках износ деталей многократно меньше, так как и механического контакта между ними нет. Это открывает простор для использования таких подшипников в экстремальных условиях, где затруднены ремонтные работы (например, в атомной энергетике или в условиях особенно высоких или низких температур).
Вместе с тем уже находят широкое применение такие устройства, как вертикальные ветрогенераторы на магнитной левитации. Именно использование в них магнитных подшипников делает их особенно привлекательным способом получения электроэнергии из энергии ветра. Фактически ротор ветрогенератора висит в воздухе, опираясь на подшипники, парящие с помощью магнитной левитации. Для обычных ветрогенераторов надёжные опоры были большой проблемой: помимо значительного веса всего устройства дополнительной нагрузкой было активное воздействие ветра, который расшатывал весь генератор.
Но данные принципы используются не только в высокотехнологичной промышленности, возможна и магнитная левитация своими руками.
Получить собственный пример воздействия магнитного поля на гравитацию поможет диамагнитная левитация. Существуют вещества-диамагнетики, то есть получающие магнитный заряд против направления внешнего магнитного поля. При использовании таких веществ вместе с мощными магнитами левитировать будет именно магнит. К числу веществ-диамагнетиков относятся золото, серебро, медь, фосфор, цинк, водород, азот и другие.
Александр Бабицкий
