Britische Wissenschaftler und Physiker der Universität Bristol haben einen akustischen Levitator entwickelt, der mit einem einzigen Ultraschallstrahl in die Luft heben und Objekte halten kann, die länger als die Wellenlänge sind. Die Autoren haben vor einem Monat auf den Seiten der Physical Review Letters ein erfolgreiches Experiment angekündigt. Details der Studie werden ebenfalls
hier veröffentlicht.
Laut Physikern gelang es ihnen, das Experiment durchzuführen, dank der Erzeugung eines akustischen Wirbels, der eine Kugel mit einem Durchmesser von anderthalb Zentimetern nach oben fliegen und über der Oberfläche des Emitters halten ließ. Wenn Sie sich nicht bewusst sind, war die Wellenlänge zuvor eine grundlegende Einschränkung für akustische Einzelstrahl-Levitatoren. Noch früher bestand das Problem in der Schaffung eines Levitators mit einem einzigen Strahl. Um den Effekt zu erzielen, wurden zwei Ultraschallquellen verwendet. Das Thema erschien mir interessant und bedeutsam. Unter dem Schnitt mehr über die akustische Levitation von Objekten und das Studium der Briten.
Ein paar Worte zur akustischen Levitation
Wiki definiert akustische Levitation als
"Eine stabile Position eines schweren Objekts in einer stehenden Schallwelle."
Dieses Phänomen ist seit 1934 bekannt, als es von L. King theoretisch bewiesen wurde. Später im Jahr 1961 wurden die Schlussfolgerungen über die Möglichkeit des Phänomens von L. P. Gorkov gezogen.
Das Prinzip, nach dem akustische Levitatoren arbeiten, besteht im Wesentlichen darin, dass kohärente Schallwellen gestört werden, was zum Auftreten lokaler Bereiche mit Druckanstieg führt. Aufgrund dessen kann der Körper in einem bestimmten Raumbereich gehalten und bewegt werden.
Wissenschaftler, die sich mit dem Thema akustische Levitation befassen, glauben an die große Zukunft dieses Phänomens. Futuristische Projekte umfassen das Heben und Bewegen verschiedener Objekte, die Ausstattung von Lagerverwaltungssystemen mit Levitatoren und die Anwendung in Häfen und Fabriken. Levitatoren sind jedoch immer noch sehr weit von einer solchen Masse und Größe entfernt. Einer der Bereiche, in denen sich solche Geräte in naher Zukunft bewähren können, sind pharmakologische Technologien, bei denen eine akustische Levitation erforderlich ist, um den Reinigungsgrad von Substanzen zu erhöhen.
Lyrischer Exkurs
Als Kind spielte ich in den 90er Jahren die Strategie der Ascendancy-Weltraumzivilisation. Darin könnten die Planeten mit den sogenannten ausgerüstet werden Traktorstrahl (ein Einfangstrahl), der Objekte aus dem Weltraum anziehen konnte. Ich war überrascht, als ich die Erfindung eines ähnlichen, wenn auch kleinen Geräts erlebte.
Wie die Größe aufgehört hat, spielt eine Rolle
Die frühen akustischen Einstrahl-Levitatoren wurden von verschiedenen Wissenschaftlern entwickelt, darunter Asier Marzo aus Bristol und der Brasilianer Marco Aurelio Britzotti Andrade von der Universität von São Paulo. Sie konnten Schweben von Objekten mit einem Durchmesser von nicht mehr als 4 Millimetern erreichen. Die maximale Größe von Objekten, die ein solcher Levitator in die Luft hob, sollte kleiner sein als die Länge der stehenden Welle.
Diesmal konnten Bristol-Wissenschaftler diese grundlegende Einschränkung mithilfe eines speziellen Algorithmus zur Steuerung von Emittern überwinden. Dank des Strahlungskontrollsystems, der halbkugelförmigen Form und der genauen Berechnung der Leistung von Ultraschallstrahlungsquellen konnten akustische Wirbel erzeugt werden, die ein großes Objekt halten können. Der neue sphärische Levitator kombiniert 192 Ultraschallemitter mit einer Frequenz von 40 kHz (Wellenlänge bei NU beträgt 0,87 cm). Die Emitter sind auf der Innenfläche einer Kugel mit einem Durchmesser von 192 mm montiert.
Dank des Ultraschall-Signalsteuerungsalgorithmus werden mehrere Wirbel mit derselben Helizität und unterschiedlichen Richtungen erzeugt. In der Aktionszone entstehen lokale Hochdruckbereiche, die das Objekt halten. Der maximale Durchmesser der Kugel, die der Bristol-Apparat in die Luft gehoben hat, beträgt 1,6 cm, was fast dem Zweifachen der Wellenlänge entspricht, die das Gerät erzeugt. Außerdem kann das Gerät die Drehzahl des Balls aufgrund von Richtungsänderungen der Ultraschallwirbel ändern.
Unerwartete zweidimensionale Effekte
Die Experimente von Wissenschaftlern haben gezeigt, dass ein neuer Konstruktions-Levitator beim Festlegen einer der Koordinaten (z. B. wenn sich ein Objekt auf der Oberfläche befindet) Objekte erfassen und drehen kann, die 5-6-mal länger als die Wellenlänge sind. Dieser Effekt eröffnet neue Möglichkeiten für den Einsatz von Geräten mit akustischen Wirbeln. Sie sollen zur Herstellung von Zentrifugen und Laborsteuerungssystemen für Mikro- und Makropartikel verwendet werden.
Zusammenfassung
Die Erfolge des Bristol-Teams (Asier Marzo, Mihai Caleap und Bruce W. Drinkwater) zeigen, dass wahrscheinlich in naher Zukunft akustische Levitatoren zur Herstellung von Labor- und später Industrieanlagen verwendet werden.
Vielleicht wird die akustische Levitation in absehbarer Zeit die magnetische ersetzen können, die heute aktiv verwendet wird, um das ursprüngliche Design verschiedener Geräte, einschließlich Lautsprecher und Plattenspieler, zu erstellen. Es ist möglich, dass die Menschheit eines Tages einen starken akustischen Traktorstrahl (wie in Ascendancy) sieht, der in der Lage ist, wirklich große Objekte zu fixieren und zu bewegen.