La lévitation acoustique permet de petits objets, comme des gouttelettes de liquide, flotter. Photo avec l'aimable autorisation du Lloyd Smith Research Group A moins que vous ne voyagiez dans le vide de l'espace, le son est partout autour de vous tous les jours. Mais la plupart du temps, vous n'y pensez probablement pas comme une présence physique. Vous entendez des sons ; vous ne les touchez pas. Les seules exceptions peuvent être les boîtes de nuit bruyantes, des voitures avec des haut-parleurs qui font claquer les vitres et des appareils à ultrasons qui pulvérisent des calculs rénaux. Mais même alors, vous ne pensez probablement pas à ce que vous ressentez comme un son en soi, mais comme les vibrations que le son crée dans d'autres objets.
L'idée que quelque chose d'aussi intangible puisse soulever des objets peut sembler incroyable, mais c'est un vrai phénomène. Lévitation acoustique profite des propriétés du son pour produire des solides, liquides et gaz lourds à flotter. Le processus peut avoir lieu en gravité normale ou réduite. En d'autres termes, le son peut faire léviter des objets sur Terre ou dans des enceintes remplies de gaz dans l'espace.
Pour comprendre le fonctionnement de la lévitation acoustique, vous devez d'abord savoir un peu sur la gravité , air et sonner . D'abord, la gravité est une force qui amène les objets à s'attirer les uns les autres. La façon la plus simple de comprendre la gravité est à travers la loi de la gravitation universelle d'Isaac Newton. Cette loi stipule que chaque particule de l'univers attire toutes les autres particules. Plus un objet est massif, plus il attire fortement d'autres objets. Les objets les plus proches sont, plus ils s'attirent fortement. Un objet énorme, comme la Terre, attire facilement les objets qui lui sont proches, comme des pommes suspendues aux arbres. Les scientifiques n'ont pas décidé exactement ce qui cause cette attraction, mais ils croient qu'il existe partout dans l'univers.
Seconde, l'air est un fluide qui se comporte essentiellement de la même manière que les liquides. Comme les liquides, l'air est constitué de particules microscopiques qui se déplacent les unes par rapport aux autres. L'air se déplace aussi comme l'eau - en fait, certains tests aérodynamiques ont lieu sous l'eau plutôt que dans les airs. Les particules dans les gaz, comme ceux qui composent l'air, sont simplement plus éloignés les uns des autres et se déplacent plus rapidement que les particules dans les liquides.
Troisième, le son est une vibration qui voyage à travers un médium, comme un gaz, un liquide ou un objet solide. La source d'un son est un objet qui se déplace ou change de forme très rapidement. Par exemple, si vous sonnez une cloche, la cloche vibre dans l'air. Comme un côté de la cloche se déplace, il pousse les molécules d'air à côté de lui, augmenter la pression dans cette région de l'air. Cette zone de pression plus élevée est un compression . Au fur et à mesure que le côté de la cloche rentre, il sépare les molécules, créant une région de basse pression appelée raréfaction . La cloche répète alors le processus, créant une série répétée de compressions et de raréfactions. Chaque répétition est une longueur d'onde de l'onde sonore.
L'onde sonore se déplace lorsque les molécules en mouvement poussent et tirent les molécules autour d'elles. Chaque molécule déplace à son tour la suivante. Sans ce mouvement de molécules, le son ne pouvait pas voyager, c'est pourquoi il n'y a pas de son dans le vide. Vous pouvez regarder l'animation suivante pour en savoir plus sur les bases du son.
Utilisations de la lévitation acoustique sonner voyager à travers un fluide -- généralement un gaz -- pour équilibrer la force de la gravité . Sur Terre, cela peut faire planer des objets et des matériaux sans support dans l'air. Dans l'espace, il peut maintenir les objets stables afin qu'ils ne bougent pas ou ne dérivent pas.
Le processus repose sur les propriétés des ondes sonores, ondes sonores particulièrement intenses. Nous verrons comment les ondes sonores deviennent capables de soulever des objets dans la section suivante.
La lévitation acoustique utilise la pression acoustique pour permettre aux objets flotter. Un lévitateur acoustique de base a deux parties principales - un transducteur , qui est une surface vibrante qui fait du son, et un réflecteur . Souvent, le transducteur et le réflecteur ont concave surfaces pour aider à concentrer le son. Une onde sonore s'éloigne du transducteur et rebondit sur le réflecteur. Trois propriétés fondamentales de ce voyage, l'onde réfléchissante l'aide à suspendre des objets dans les airs.
D'abord, la vague, comme tout son, est un longitudinal onde de pression. Dans une onde longitudinale, le mouvement des points de la vague est parallèle à la direction de la vague. C'est le genre de mouvement que vous verriez si vous poussiez et tiriez une extrémité d'un Slinky étiré. La plupart des illustrations, bien que, représenter le son comme un transversal vague, c'est ce que vous verriez si vous déplaciez rapidement une extrémité du Slinky de haut en bas. C'est simplement parce que les ondes transversales sont plus faciles à visualiser que les ondes longitudinales.
Seconde, la vague peut rebondir sur les surfaces. Il suit le loi de la réflexion , qui stipule que le angle d'incidence -- l'angle auquel quelque chose heurte une surface -- est égal à la angle de réflexion -- l'angle auquel il quitte la surface. En d'autres termes, une onde sonore rebondit sur une surface au même angle auquel elle frappe la surface. Une onde sonore qui frappe une surface de front à un angle de 90 degrés se reflétera directement dans le même angle. La façon la plus simple de comprendre la réflexion des ondes est d'imaginer un Slinky qui est attaché à une surface à une extrémité. Si vous avez ramassé l'extrémité libre du Slinky et l'avez déplacé rapidement de haut en bas, une vague parcourrait la longueur du ressort. Une fois qu'il a atteint l'extrémité fixe du ressort, il se refléterait sur la surface et retournerait vers vous. La même chose se produit si vous poussez et tirez une extrémité du ressort, créant une onde longitudinale.
Finalement, lorsqu'une onde sonore se réfléchit sur une surface, l'interaction entre ses compressions et ses raréfactions provoque ingérence . Les compressions qui rencontrent d'autres compressions s'amplifient mutuellement, et les compressions qui rencontrent les raréfactions s'équilibrent. Parfois, la réflexion et l'interférence peuvent se combiner pour créer un onde stationnaire . Les ondes stationnaires semblent se déplacer d'avant en arrière ou vibrer par segments plutôt que de se déplacer d'un endroit à l'autre. Cette illusion d'immobilité est ce qui donne leur nom aux ondes stationnaires.
Les ondes sonores stationnaires ont défini nœuds , ou des zones de pression minimale, et ventre , ou des zones de pression maximale. Les nœuds d'une onde stationnaire sont au cœur de la lévitation acoustique. Imaginez une rivière avec des rochers et des rapides. L'eau est calme dans certaines parties de la rivière, et il est turbulent chez les autres. Des débris flottants et de la mousse s'accumulent dans les parties calmes de la rivière. Pour qu'un objet flottant reste immobile dans une partie rapide de la rivière, il faudrait qu'il soit ancré ou propulsé à contre-courant de l'eau. C'est essentiellement ce que fait un lévitateur acoustique, en utilisant le son se déplaçant à travers un gaz à la place de l'eau.
En plaçant un réflecteur à bonne distance d'un transducteur, le lévitateur acoustique crée une onde stationnaire. Lorsque l'orientation de l'onde est parallèle à l'attraction de la gravité, des parties de l'onde stationnaire ont une pression descendante constante et d'autres ont une pression ascendante constante. Les nœuds ont très peu de pression.
Dans l'espace, où il y a peu de gravité, les particules flottantes s'accumulent dans les nœuds de l'onde stationnaire, qui sont calmes et immobiles. Sur Terre, les objets s'accumulent juste en dessous des nœuds, où le pression de rayonnement acoustique , ou la quantité de pression qu'une onde sonore peut exercer sur une surface, équilibre l'attraction de la gravité.
Les objets planent dans une zone légèrement différente dans le champ sonore en fonction de l'influence de la gravité. Il faut plus que des ondes sonores ordinaires pour fournir cette quantité de pression. Nous verrons ce qui est spécial au sujet des ondes sonores dans un lévitateur acoustique dans la section suivante.
Autres utilisations du son non linéairePlusieurs procédures médicales reposent sur l'acoustique non linéaire. Par exemple, l'imagerie par ultrasons utilise des effets non linéaires pour permettre aux médecins d'examiner les bébés dans l'utérus ou de visualiser les organes internes. Les ondes ultrasonores à haute intensité peuvent également pulvériser des calculs rénaux, cautériser les blessures internes et détruire les tumeurs.
Les ondes stationnaires ordinaires peuvent être relativement puissantes. Par exemple, une onde stationnaire dans un conduit d'air peut provoquer une accumulation de poussière dans un motif correspondant aux nœuds de l'onde. Une onde stationnaire se répercutant dans une pièce peut faire vibrer les objets sur son passage. Les ondes stationnaires à basse fréquence peuvent également rendre les gens nerveux ou désorientés - dans certains cas, les chercheurs les trouvent dans des bâtiments que les gens disent être hantés.
Mais ces prouesses sont de petites patates comparées à la lévitation acoustique. Il faut beaucoup moins d'efforts pour influencer l'endroit où la poussière se dépose ou pour briser un verre qu'il n'en faut pour soulever des objets du sol. Les ondes sonores ordinaires sont limitées par leur linéaire la nature. L'augmentation de l'amplitude de l'onde rend le son plus fort, mais cela n'affecte pas la forme de la forme d'onde ni ne la rend beaucoup plus puissante physiquement.
Cependant, les sons extrêmement intenses - comme les sons physiquement douloureux pour les oreilles humaines - sont généralement non linéaire . Ils peuvent provoquer des réponses disproportionnées dans les substances qu'ils traversent. Certains effets non linéaires incluent :
L'acoustique non linéaire est un domaine complexe, et les phénomènes physiques qui causent ces effets peuvent être difficiles à comprendre. Mais en général, les effets non linéaires peuvent se combiner pour rendre un son intense bien plus puissant qu'un son plus silencieux. C'est à cause de ces effets que la pression de rayonnement acoustique d'une onde peut devenir suffisamment forte pour équilibrer l'attraction de la gravité. Un son intense est au cœur de la lévitation acoustique - les transducteurs de nombreux lévitateurs produisent des sons supérieurs à 150 décibels (dB). La conversation ordinaire est d'environ 60 dB, et une boîte de nuit bruyante est plus proche de 110 dB.
Faire léviter des objets avec du son n'est pas aussi simple que de diriger un transducteur puissant vers un réflecteur. Les scientifiques doivent également utiliser des sons de la bonne fréquence pour créer l'onde stationnaire souhaitée. N'importe quelle fréquence peut produire des effets non linéaires au bon volume, mais la plupart des systèmes utilisent des ondes ultrasonores, qui sont trop aigus pour que les gens les entendent. En plus de la fréquence et du volume de l'onde, les chercheurs doivent également prêter attention à un certain nombre d'autres facteurs :
Cela peut sembler beaucoup de travail requis pour suspendre de petits objets à quelques centimètres d'une surface. Faire léviter de petits objets - ou même de petits animaux - sur une courte distance peut également sembler une pratique relativement inutile. Cependant, la lévitation acoustique a plusieurs utilisations, à la fois au sol et dans l'espace. Voici quelques-uns:
Les chercheurs continuent de développer de nouvelles configurations pour les systèmes de lévitation et de nouvelles applications pour la lévitation acoustique. Pour en savoir plus sur leurs recherches, le son et les sujets connexes, consultez les liens sur la page suivante.
Autres configurations de LevitatorBien qu'un lévitateur avec un transducteur et un réflecteur puisse suspendre des objets, certaines configurations peuvent augmenter la stabilité ou permettre le mouvement. Par exemple, certains lévitateurs ont trois paires de transducteurs et de réflecteurs, qui sont positionnés le long du X, Axes Y et Z. D'autres ont un grand émetteur et un petit, réflecteur mobile; l'objet suspendu se déplace lorsque le réflecteur se déplace.
