Levitazione acustica: Cos’è e come funziona

La levitazione acustica sfrutta le proprietà del suono per far galleggiare solidi, liquidi e gas pesanti

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Levitazione acustica: Cos'è e come funziona
Levitazione acustica: Cos'è e come funziona

A meno che non viaggi nel vuoto dello spazio, il suono è tutto intorno a te ogni giorno. L’idea che qualcosa di così intangibile possa sollevare oggetti può sembrare incredibile, ma è un fenomeno reale.

La levitazione acustica sfrutta le proprietà del suono per far galleggiare solidi, liquidi e gas pesanti

Il processo può avvenire in condizioni di gravità normale o ridotta. In altre parole, il suono può far levitare oggetti sulla Terra o in involucri pieni di gas nello spazio. Per capire come funziona la levitazione acustica, devi prima conoscere un po’ di gravità, aria e suono.

La gravità

Innanzitutto, la gravità è una forza che fa sì che gli oggetti si attraggano l’un l’altro. Il modo più semplice per comprendere la gravità è attraverso la legge di gravitazione universale di Isaac Newton.

Questa legge afferma che ogni particella nell’universo attrae ogni altra particella. Più un oggetto è massiccio, più fortemente attrae altri oggetti. Più gli oggetti sono vicini, più fortemente si attraggono.

Un oggetto enorme, come la Terra, attrae facilmente gli oggetti che gli sono vicini, come le mele appese agli alberi. Gli scienziati non hanno deciso esattamente cosa causa questa attrazione, ma credono che esista ovunque nell’universo.

L’ aria

L’ aria è un fluido che si comporta essenzialmente allo stesso modo dei liquidi. Come i liquidi, l’aria è composta da particelle microscopiche che si muovono l’una rispetto all’altra. Le particelle nei gas, come quelle che compongono l’aria, sono semplicemente più distanti e si muovono più velocemente delle particelle nei liquidi.

Il suono

Il suono è una vibrazione che viaggia attraverso un mezzo, come un gas, un liquido o un oggetto solido. La sorgente di un suono è un oggetto che si muove o cambia forma molto rapidamente. Ad esempio, se si suona una campana, la campana vibra nell’aria.

Quando un lato della campana si sposta, spinge le molecole d’aria accanto ad essa, aumentando la pressione in quella regione dell’aria. Questa zona di maggiore pressione è una compressione.

Quando il lato della campana rientra, separa le molecole, creando una regione a pressione più bassa chiamata rarefazione. La campana quindi ripete il processo, creando una serie ripetuta di compressioni e rarefazioni. Ogni ripetizione è una lunghezza d’ onda dell’onda sonora.

L’onda sonora viaggia mentre le molecole in movimento spingono e tirano le molecole intorno a loro. Ogni molecola sposta a sua volta quella accanto. Senza questo movimento di molecole, il suono non potrebbe viaggiare, motivo per cui non c’è suono nel vuoto. 

La levitazione acustica

La levitazione acustica utilizza il suono che viaggia attraverso un fluido, solitamente un gas, per bilanciare la forza di gravità. Sulla Terra, questo può far librare oggetti e materiali senza supporto nell’aria. Nello spazio, può tenere gli oggetti fermi in modo che non si muovano o vadano alla deriva.

Un levitatore acustico di base ha due parti principali: un trasduttore, che è una superficie vibrante che emette il suono, e un riflettore. Spesso, il trasduttore e il riflettore hanno superfici concave per aiutare a focalizzare il suono.

Un’onda sonora si allontana dal trasduttore e rimbalza sul riflettore. Tre proprietà fondamentali di questa onda viaggiante e riflettente la aiutano a sospendere gli oggetti a mezz’aria.

L’onda, come tutti i suoni, è un’onda di pressione longitudinale 

In un’onda longitudinale, il movimento dei punti nell’onda è parallelo alla direzione in cui viaggia l’onda. È il tipo di movimento che vedresti se spingessi e tirassi un’estremità di uno Slinky allungato.

La maggior parte delle illustrazioni, tuttavia, raffigura il suono come un’onda trasversale , che è ciò che vedresti se spostassi rapidamente un’estremità dello Slinky su e giù. Questo è semplicemente perché le onde trasversali sono più facili da visualizzare rispetto alle onde longitudinali.

Un’onda può rimbalzare sulle superfici. Segue la legge di riflessione, che afferma che l’ angolo di incidenza – l’angolo con cui qualcosa colpisce una superficie – è uguale all’angolo di riflessione- l’angolo con cui lascia la superficie.

In altre parole, un’onda sonora rimbalza su una superficie con lo stesso angolo con cui colpisce la superficie

Un’onda sonora che colpisce frontalmente una superficie con un angolo di 90 gradi si rifletterà direttamente all’indietro con lo stesso angolo.

Il modo più semplice per comprendere la riflessione dell’onda è immaginare uno Slinky attaccato a una superficie a un’estremità. Se prendi l’estremità libera dello Slinky e la muovi rapidamente su e poi giù, un’onda percorrerà la lunghezza della molla.

Una volta raggiunta l’estremità fissa della molla, si rifletterebbe sulla superficie e tornerebbe verso di te. La stessa cosa accade se si spinge e si tira un’estremità della molla, creando un’onda longitudinale.

Infine, quando un’onda sonora si riflette su una superficie, l’interazione tra le sue compressioni e rarefazioni provoca interferenze. Le compressioni che incontrano altre compressioni si amplificano a vicenda e le compressioni che incontrano rarefazioni si bilanciano a vicenda.

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A volte, la riflessione e l’interferenza possono combinarsi per creare un’onda stazionaria. Le onde stazionarie sembrano spostarsi avanti e indietro o vibrare in segmenti piuttosto che viaggiare da un luogo all’altro.

Questa illusione di quiete è ciò che dà il nome alle onde stazionarie

Le onde sonore stazionarie hanno nodi definiti, o aree di minima pressione, e antinodi, o aree di massima pressione. I nodi di un’onda stazionaria sono al centro della levitazione acustica. Immagina un fiume con rocce e rapide.

L’acqua è calma in alcune parti del fiume ed è turbolenta in altre. I detriti galleggianti e la schiuma si raccolgono nelle zone tranquille del fiume. Affinché un oggetto galleggiante rimanga fermo in una parte del fiume in rapido movimento, dovrebbe essere ancorato o spinto contro il flusso dell’acqua.

Questo è essenzialmente ciò che fa un levitatore acustico, usando il suono che si muove attraverso un gas al posto dell’acqua

Posizionando un riflettore alla giusta distanza da un trasduttore, il levitatore acustico crea un’onda stazionaria. Quando l’orientamento dell’onda è parallelo alla forza di gravità, parti dell’onda stazionaria hanno una pressione costante verso il basso e altre hanno una pressione costante verso l’alto. I nodi hanno pochissima pressione.

Nello spazio, dove c’è poca gravità, le particelle galleggianti si raccolgono nei nodi dell’onda stazionaria, che sono calmi e immobili. Sulla Terra, gli oggetti si raccolgono appena sotto i nodi, dove la pressione della radiazione acustica, o la quantità di pressione che un’onda sonora può esercitare su una superficie, bilancia la forza di gravità.

Altri usi per il suono non lineare
Diverse procedure mediche si basano sull’acustica non lineare. Ad esempio, l’ ecografia utilizza effetti non lineari per consentire ai medici di esaminare i bambini nell’utero o visualizzare gli organi interni. Le onde ultrasoniche ad alta intensità possono anche polverizzare i calcoli renali, cauterizzare le lesioni interne e distruggere i tumori.

 

Suono non lineare e levitazione acustica

Le onde stazionarie ordinarie possono essere relativamente potenti. Ad esempio, un’onda stazionaria in un condotto dell’aria può causare l’accumulo di polvere secondo uno schema corrispondente ai nodi dell’onda.

Un’onda stazionaria che si riverbera in una stanza può far vibrare gli oggetti sul suo percorso. Le onde stazionarie a bassa frequenza possono anche far sentire le persone nervose o disorientate: in alcuni casi, i ricercatori le trovano in edifici che le persone riferiscono di essere infestati.

Tuttavia, i suoni estremamente intensi, come i suoni che sono fisicamente dolorosi per l’orecchio umano, sono generalmente non lineari. Possono causare risposte sproporzionatamente grandi nelle sostanze che attraversano. Alcuni effetti non lineari includono:

Forme d’onda distorte

  • Onde d’urto, come boom sonici;
  • Streaming acustico, ovvero il flusso costante del fluido attraverso il quale l’onda viaggia;
  • Saturazione acustica, ovvero il punto in cui la materia non può più assorbire più energia dall’onda sonora.

L’acustica non lineare è un campo complesso e i fenomeni fisici che causano questi effetti possono essere difficili da comprendere. Ma in generale, gli effetti non lineari possono combinarsi per creare un suono intenso molto più potente di uno più silenzioso.

È a causa di questi effetti che la pressione della radiazione acustica di un’onda può diventare abbastanza forte da bilanciare la forza di gravità

Il suono intenso è fondamentale per la levitazione acustica: i trasduttori di molti levitatori producono suoni superiori a 150 decibel (dB). La conversazione normale è di circa 60 dB e una discoteca rumorosa è più vicina a 110 dB.

Far levitare oggetti con il suono non è così semplice come puntare un trasduttore ad alta potenza su un riflettore. Gli scienziati devono anche utilizzare suoni della frequenza corretta per creare l’onda stazionaria desiderata.

Qualsiasi frequenza può produrre effetti non lineari al giusto volume, ma la maggior parte dei sistemi utilizza onde ultrasoniche, che sono troppo acute per essere udite dalle persone.

Oltre alla frequenza e al volume dell’onda, i ricercatori devono prestare attenzione anche a una serie di altri fattori:

La distanza tra il trasduttore e il riflettore deve essere un multiplo della metà della lunghezza d’onda del suono prodotto dal trasduttore. Questo produce un’onda con nodi stabili e antinodi.

Alcune onde possono produrre diversi nodi utilizzabili, ma quelli più vicini al trasduttore e al riflettore di solito non sono adatti alla levitazione di oggetti. Questo perché le onde creano una zona di pressione vicino alle superfici riflettenti.

In un ambiente di microgravità , come lo spazio esterno, le aree stabili all’interno dei nodi devono essere sufficientemente grandi da supportare l’oggetto galleggiante. Sulla Terra, anche le aree di alta pressione appena sotto il nodo devono essere abbastanza grandi.

Per questo motivo, l’oggetto levitato dovrebbe misurare tra un terzo e la metà della lunghezza d’onda del suono

Gli oggetti più grandi di due terzi della lunghezza d’onda del suono sono troppo grandi per essere levitati: il campo non è abbastanza grande per supportarli. Maggiore è la frequenza del suono, minore è il diametro degli oggetti che è possibile levitare.

Gli oggetti che sono della giusta dimensione per levitare devono essere anche della giusta massa. In altre parole, gli scienziati devono valutare la densità dell’oggetto e determinare se l’onda sonora può produrre una pressione sufficiente per contrastare l’attrazione di gravità su di esso.

Le gocce di liquido che vengono levitate devono avere un numero di legame adeguato

È  un rapporto che descrive la tensione superficiale, la densità e le dimensioni del liquido nel contesto della gravità e del fluido circostante. Se il numero di obbligazioni è troppo basso, il calo esploderà.

L’intensità del suono non deve sopraffare la tensione superficiale delle goccioline liquide che vengono levitate. Se il campo sonoro è troppo intenso, la goccia si appiattirà in una ciambella e poi esploderà.

Questo potrebbe sembrare un sacco di lavoro necessario per sospendere piccoli oggetti a pochi centimetri da una superficie. Anche far levitare piccoli oggetti – o anche piccoli animali – a breve distanza potrebbe sembrare una pratica relativamente inutile.

Tuttavia, la levitazione acustica ha diversi usi, sia a terra che nello spazio. Eccone alcuni:

La produzione di dispositivi elettronici e microchip molto piccoli spesso coinvolge robot o macchinari complessi. I levitatori acustici possono svolgere lo stesso compito manipolando il suono.

Ad esempio, i materiali fusi levitati si raffredderanno e si induriranno gradualmente e, in un campo sonoro opportunamente sintonizzato, l’oggetto solido risultante è una sfera perfetta.

Allo stesso modo, un campo correttamente sagomato può costringere la plastica a depositarsi e indurirsi solo sulle aree corrette di un microchip

Alcuni materiali sono corrosivi o reagiscono in altro modo con i normali contenitori utilizzati durante l’analisi chimica. I ricercatori possono sospendere questi materiali in un campo acustico per studiarli senza il rischio di contaminazione o distruzione dei contenitori.

Lo studio della fisica della schiuma ha un grosso ostacolo: la gravità . La gravità tira il liquido verso il basso dalla schiuma, asciugandolo e distruggendolo. I ricercatori possono contenere schiuma con campi acustici per studiarla nello spazio, senza l’interferenza della gravità.

Ciò può portare a una migliore comprensione di come la schiuma svolge attività come la pulizia dell’acqua dell’oceano. I ricercatori continuano a sviluppare nuove configurazioni per i sistemi di levitazione e nuove applicazioni per la levitazione acustica. 

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