Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 7 (vyšlo 14. února, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Akustická levitace vrací úder

Ondřej Penc

Lidé jsou od pradávna fascinováni gravitacíGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.. Gravitace je síla, která údajně přiměla Galilea Galieiho házet předměty z šikmé věže v Pise nebo nechala spadnout jablko ze stromu, které podle pověsti inspirovalo Isaaca Newtona při zformulování gravitačního zákona. Gravitace donutila mnoho lidí přemýšlet, jak nad touto silou zvítězit. Nakonec přišla doba, kdy několik jedinců mohlo opustit ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., ba dokonce okusit gravitaci jiného srovnatelně velkého vesmírného tělesa. Proces překonávání této síly nazýváme levitace. Je to snaha dostat objekt do stavu, ve kterém zdánlivě nepodléhá zemské gravitaci. Objekt se umístí do stabilní polohy, není podpírán žádnou mechanickou konstrukcí, a přesto se nedotýká země. Levitace představuje boj člověka s gravitací, která je pro něj všudypřítomná a pouze malý zlomek lidstva zažil stav bez ní. Z toho vyplývá důvod, proč je lidstvo levitací fascinováno ještě více než samotnou gravitací.

Newton, Einstein a gravitace

Jablko symbolizuje jak Newtonovu, tak Einsteinovu teorii gravitace. V Newtonově teorii připomíná pád jablka ze stromu zemskou gravitaci, v Einsteinově teorii je jeho slupka paralelou k zakřivení prostoru a času. Zdroj: Matt Ford/Ars Technica

Elektroakustický měnič – zařízení, které mění elektrický signál na zvuk (akustický signál). Elektrický signál v zařízení vybudí mechanické chvění, které se šíří vzduchem a je schopné vybudit sluchový vjem.

Piezoelektrický jev – vznik napětí při deformaci určitých druhů krystalů. Piezoelektrický jev se využívá ke konstrukci různých snímačů vibrací. V domácnosti ho známe z piezoelektrického zapalovače plynu, ve kterém deformace krystalu způsobí přeskočení elektrické jiskry.

Supravodivost – supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4,2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu.

Levitace

Existuje velmi mnoho metod, jak donutit nějaký objekt levitovat. Podle principu se dají rozdělit do několika kategorií:

Levitaci na principu Archimédova zákona asi není potřeba uvádět, avšak i tato může vypadat velice působivě. Někdo by však mohl namítat, že je lepší ponechat si helium na chlazení urychlovačů, že vodík je příliš nebezpečný a že horký vzduch už nikoho nepřekvapí.

Exploze vzducholodi Hindenburg

Historie levitace na principu Archimédova zákona. Exploze německé vzducholodi Hindenburg při přistání na letišti Lakehurst v New Jersey dne 6. května 1937. Při katastrofě zahynulo 35 osob. Zdroj: 100+1.

Aerodynamická levitace využívá sílu vzduchu proudícího kolem levitovaného objektu. Tok vzduchu musí být namířen vertikálně proti gravitaci. Tento způsob levitace je asi nejjednodušší, což dokazuje i skutečnost, že můžeme nechat levitovat věci vlastním dechem. Aerodynamická levitace je také nejlevnější metoda, jakou můžeme způsobit levitaci člověka. Ten však výrazně pocítí sílu turbovětráku, který ho bude nadnášet, jinak by musel sedět v letadle typu Harrier, tedy letadle se schopností kolmého startu, a startovat například z letadlové lodě. Do této skupiny levitací patří také levitace na principu vzduchového polštáře.

Lokálně inerciální soustava. Další možností, jak ošálit gravitaci, je přesun člověka do lokálně inerciální vztažné soustavy, která bude v gravitaci volně padat – například do prudce klesajícího letadla. Do stejné kategorie patří i pobyt člověka na Mezinárodní kosmické stanici, tam však není od stavu beztíže úniku.

Následující tři typy levitace mají společné to, že pracují na bázi elektromagnetické interakce. První typ využívá elektrostatické pole, z čehož vyplývá, že levitovaný objekt musí být nabitý. Čím větší má objekt hmotnost, tím větší silou na něj musíme proti gravitaci působit, a tím větší musí být náboj tělesa a intenzita použitého pole. Elektrostatický levitátor navíc vyžaduje vysoké vakuum. Náboj levitovaného objektu totiž musí být izolován od neutrálního plynu a navíc musí být obnovován, což lze zajistit například pomocí fotoelektrického jevuFotoelektrický jev – vyrážení elektronů z povrchu některých látek (zejména kovů) světlem. Při tomto jevu se projevují částicové vlastnosti světla, jednotlivý foton musí mít energii vyšší než je výstupní práce nutná k vytržení elektronu z atomu. Jev poprvé objevil Heinrich Hertz v roce 1887 a vysvětlil Albert Einstein v roce 1905.. Na preparát míří ultrafialový laser o vyšší než prahové frekvenci a vytrhává z něj elektrony. První zařízení tohoto druhu bylo zkonstruováno v roce 1993 v NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. [2]. Bylo navrženo pro levitování 1–3 mm velkého objektu s nominálním nábojem řádově desítky nanocoulombů. Zařízení vytvářelo potenciál pro levitaci −5,64 kV. V tomto experimentu muselo být těleso nejen malé, ale také mít schopnost nabíjet se fotoelektrickým jevem.

Nejrozšířenějším způsobem, jak se vznášet, je však levitace na principu magnetického pole. Není divu, magnetické pole se dá velmi snadno generovat a řídit pomocí elektromagnetu – cívky s paramagnetickým jádrem. Tato technologie často využívá i permanentních magnetů, diamagnetických látek nebo supravodičůSupravodivost – supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4,2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu., které se chovají jako dokonalé diamagnetikum. O rozšířenosti levitace na tomto principu svědčí i komerčně používané vlaky typu Maglev, například v Japonsku. Tak těžký objekt, jako je vlak, vyžaduje velmi silné magnety a zde přichází na scénu supravodič. Supravodivé elektromagnety dokážou vyvinout magnetické pole o velikosti desítek tesla a jsou použity například ve vlaku Shinkanzen L-zero nebo SC Maglev (Superconducting Maglev).

Maglev

SC Maglev na testovací dráze v roce 2005 v Japonsku. Zdroj: Wikimedia.

Magnetická levitace [3, 4, 5] vyžaduje, aby levitovaný objekt buď obsahoval zdroj magnetického pole, nebo byl diamagnetický. Zajímavým případem je levitace diamagnetických těles. Diamagnetikum ze svého objemu vytěsňuje externí magnetické pole, což umožňuje tělesu nad permanentním magnetem levitovat. Podobně se chová i supravodič v magnetickém poli, v tomto případě hovoříme o tzv. Meissnerově jevu. Ten objevil německý fyzik Walther Meissner (1882–1974) v roce 1933. První patent na magnetickou levitaci (číslo US1020943A) byl publikován panem Emilem Bacheletem v roce 1912. Důležitým omezením pro levitaci je Earnshawův teorém, podle kterého nelze dosáhnout trvalé levitace s použitím jakékoli kombinace statických nábojů a permanentních magnetů. Magnetická pole musí být časově proměnná. Tento teorém publikoval britský matematik Samuel Earnshaw už v roce 1842.

Komerční souprava pro simulaci supravodivé levitace – obdobné, jakou využívá Maglev. V tomto případě jde o speciální keramiku, která se po ponoření do kapalného dusíku stane supravodivou a vytlačuje ze svého objemu magnetické pole. Zdroj: Maglev Kit.

Posledním druhem levitace z elektromagnetické rodiny je levitace optická [6, 7, 8]. Ta pracuje na principu předání hybnosti fotonů levitovanému objektu, který ovšem musí být mikroskopický. Optická levitace je předurčena pro levitování mikroorganizmů, buněk, molekul a atomů. Levitaci objektů na světelném principu lze popsat pomocí geometrické optiky za pomoci lomu světla na levitované průhledné sférické částici – ta je vždy přitahována do místa s větší intenzitou světla.

Vysvětlení vzniku síly

Vysvětlení vzniku síly, která tlačí opticky levitovanou sféru do oblasti s větší intenzitou laserového paprsku. Na obrázku vlevo je sféra uprostřed svazku. Z obou stran (1 a 2) na ní dopadá stejné množství fotonů a výslednice sil FNET, jakožto součet F1F2, míří ve směru svazku vysílaného laserem. Na obrázku vpravo dopadá na pravou polovinu sféry (2) větší množství fotonů a lámou se na ní. Fotony z paprsku 2 předají sféře více hybnosti než fotony z paprsku 1, síla F2 převládne a výsledná síla FNET odtáhne sféru do středu svazku. Zdroj: Wikimedia.

Takto geometricky lze jev vysvětlit pouze tehdy, pokud je největší rozměr částice podstatně větší než vlnová délka světla. Přitahování částic menších, než je vlnová délka, do oblasti s vyšší intenzitou světla, lze odvodit z Lorentzovy pohybové rovnice. Zjednodušeně lze předpokládat, že levitovaná částice je elektrický dipól se zanedbatelnou vzdáleností obou nábojů a že levitační laser nemění svou intenzitu, tudíž se Poyntigův vektor E×H v čase nemění. Potom můžeme tvrdit, že na dipól bude působit síla F ~ grad(E2) ~ grad(I), kde E je velikost intenzity elektrického pole a I je intenzita záření. Stačí tedy mít laser s Gaussovým průběhěm intenzity záření na průřezu paprskem a částice bude přitahována silou do středu tohoto paprsku. Levitovaný objekt musí být nejen malý, ale také dielektrický. Dále je možné svazek zaostřit do nějakého bodu a částice bude přitahována k tomuto ohnisku. Vývoj optické levitace vedl až k vynálezu optické pinzety (1986), která se používá hlavně v biologii. První vědci, kteří začali experimentovat s optickou levitací a nejvíce přispěli k jejímu vývoji začátkem sedmdesátých let dvacátého století, byli Arthur Ashkin (*1922) z Bellových laboratoří a na sovětské straně Vladilen Stepanovich Letokhov (1946–2009) z Ústavu spektroskopie Ruské akademie věd.

Na závěr tohoto stručného souhrnu patří představení akustické levitace, jíž je tento článek věnován. Akustická levitace pracuje na principu mechanického vlnění média, ve kterém se zvuk šíří. Toto vlnění je podélné a vytváří akustický tlak, jehož silové účinky mohou působit proti gravitaci a nadnášet levitovaný objekt. Každá uvedená metoda levitace má svá pro a proti. Akustická levitace nebude fungovat ve vakuu, avšak neklade významné nároky na vlastnosti levitovaného objektu. Největšími omezeními, kromě velikosti objektu, je podmínka, aby jeho hustota byla větší než hustota okolního média a v případě kapalin je zde omezení na jejich povrchové napětí. Při malém povrchovém napětí může dojít k rozprsknutí levitované kapky.

Pokud pomineme Tibeťany a další pradávné stavitele, kteří údajně dokázali akusticky levitovat těžké stavební kameny pomocí bubnů a dalších nástrojů, začíná historie akustické levitace kolem roku 1902, kdy lord Rayleigh sepsal pojednání O tlaku vibrací (On The Pressure Of Vibrations). První člověk, který začal teoreticky zkoumat vliv akustického tlaku na překážky jednoduchých geometrických tvarů, hlavně nestlačitelné sféry ve stlačitelném médiu, byl Louis V. King v roce 1934 [9]. Navrhl matematické vysvětlení shlukujících se prachových částic v rezonanční trubici (Kundtově trubici) – jevu, který byl poprvé pozorován už v roce 1866 a je za něj zodpovědné stojaté vlnění uvnitř trubice. První experiment s akustickou levitací byl však uskutečněn o rok dříve (1933). Karl Bücks a Hans Müller postavili zařízení, ve kterém levitovali malý objekt pomocí stojatého vlnění. Rozšíření Kingovy práce, týkající se zobecnění na stlačitelnou sféru, publikovali v roce 1955 K. Yosioka a Y. Kawasima. Shrnutí předchozích výsledků a matematický popis levitace částic menších, než je vlnová délka vlnění v ideální tekutině, vypracoval v roce 1962 L. P. Gor'kov. Jeho výsledky a výsledky W. L. Nyborga z roku 1967 představují základ pro dnešní akustickou levitaci [10, 11].

Na těchto teoretických základech se podařilo levitovat nejrůznější objekty a tekutiny]. Akustická levitace byla použita v zrcadlových pecích pro tažení monokrystalů a pro polohování tavených materiálů. Používá se pro výzkum dynamiky tekutin, v materiálovém inženýrství, v mikrogravitaci a při výzkumu vzniku mraků, sněžení a dalších atmosférických jevů [12]. Podařilo se levitovat i materiál o velké hustotě – například wolfram. V roce 2006 dokonce čínští vědci nechali akusticky levitovat i menší živá zvířata jako hmyz a malé rybky.

Levitace malých živých tvorů za pomoci ultrazvuku

Ukázka akustické levitace malých živých tvorů (mravence, slunéčka a rybky).
Zdroj: Honalu.

Podle způsobu využití akustického tlaku lze rozlišit dva typy akustické levitace: levitaci na principu stojatého vlnění a levitaci na principu stlačené vrstvy. Druhý způsob umožňuje levitaci plochých objektů v malé výšce nad zdrojem zvuku. Tato výška bývá výrazně menší než je vlnová délka, a tak zde nemůže vzniknout stojaté vlnění. Tenká vrstva vzduchu mezi zdrojem zvuku a plochým levitovaným předmětem se akusticky stlačuje a uvolňuje a vytváří tlak nadnášející levitovaný předmět. Tento způsob připomíná levitaci na principu vzduchového polštáře, který byl poprvé experimentálně ověřen v roce 1964 a dnes se používá při vývoji speciálních ložisek s minimálním třením [13].

U akustické levitace se nejčastěji využívá vlastností stojatého vlnění. U stojatého vlnění je maximum pohybu akustického média lokalizováno v kmitnách a minimum v uzlech. Proto se levitovaná částice nemůže stabilně vyskytovat jinde než v uzlu. Ten si můžeme představit jako klidný ostrůvek mezi rozbouřenými vlnami. V jednom rozměru je snadné si tuto situaci představit jako rozkmitanou strunu a ve dvou rozměrech jako stojaté vlnění na vodě, například na povrchu hladiny vody v sudu. Ve třech dimenzích je představa těžší. Obtížnější je i realizace – vyžaduje tvarování a fokusování akustické vlny, například pomocí fázového pole.

Ultrazvukové fázové pole

Princip funkce ultrazvukového fázového pole spočívá v uspořádání jednotlivých zdrojů zvuku do dvourozměrné plochy. Všechny elektroakustické měniče jsou namířeny ve stejném směru a tvoří pole o velikosti N×N měničů. Toto zařízení se nejčastěji používá na diagnostiku v medicíně a na nedestruktivní testování součástek v průmyslu. Každý elektroakustický měnič má vlastní elektroniku a jeho amplituda a fáze je nezávisle řízena počítačem. Jednotlivé měniče generují kulovou vlnoplochu, avšak celé pole může generovanou vlnoplochu tvarovat a zaostřovat do daného bodu.

Skládání vlnoploch zdrojů ve fázovém poli

Obrázek ukazuje skládání jednotlivých vlnoploch zdrojů ve fázovém poli do jedné vlnoplochy (nalevo) a fokusaci fázového pole do jednoho bodu (napravo). Obou stavů bylo dosaženo nastavením správné doby zpoždění, před vysláním zvukové vlny z jednotlivých zdrojů. Kresba autor.

Stojaté vlnění lze vytvořit pomocí akustického reflektoru vlnění ve vzdálenosti poloviny vlnové délky od zdroje nebo umístěním dvou zdrojů vlnění o stejné frekvenci proti sobě v obdobné vzdálenosti. Generované vlny jdoucí proti sobě se spolu složí takovým způsobem, že vzniknou již zmíněné oblasti s nulovým vychýlením (uzly) a oblasti s maximálním vychýlením (kmitny) akustického média. Uzly se ve směru akustické osy vyskytují ekvidistantně ve vzdálenosti poloviny vlnové délky, což jednoznačně definuje velikost levitovaného objektu, který by měl být menší, než je tato vzdálenost.

Akustická levitace ve 3D

Japonští vědci z Tokijské univerzity sestavili zařízení umožňující akustickou levitaci drobných předmětů ve třech dimenzích. Dokáže zvednout předměty a manipulovat s nimi do stran. Zařízení využívá kompozice čtyř ultrazvukových fázových polí umístěných ve stěnách kvádru o čtvercové podstavě a namířených proti sobě dovnitř kvádru.

Rozmístění čtyř ultrazvukových fázových polí v experimentu

Rozmístění čtyř ultrazvukových fázových polí v experimentu
pro 3D akustickou levitaci. Zdroj: GPB News.

Vnitřek kvádru představuje pracovní prostor akustického manipulátoru. Všechna ultrazvuková fázová pole jsou synchronizována pomocí počítače. Zařízení, které navrhl francouzský fyzik Paul Langevin (1872–1946), používá elektroakustické měniče na principu piezoefektuPiezoelektrický jev – vznik napětí při deformaci určitých druhů krystalů. Piezoelektrický jev se využívá ke konstrukci různých snímačů vibrací. V domácnosti ho známe z piezoelektrického zapalovače plynu, ve kterém deformace krystalu způsobí přeskočení elektrické jiskry.. Protilehlé zdroje zvuku vytvářejí stojaté vlnění, takže není potřeba odrazové plochy. Velikost jednoho fázového pole je 170×170 mm a skládá se z 285 elektroakustických měničů. Měniče jsou řízené počítačem tak, aby výsledná zvuková vlna byla zaostřena do jednoho bodu. Tohoto zaostření je docíleno správným časováním fází jednotlivých zdrojů zvuku. Aby celé zařízení fungovalo správně, nestačí synchronizovat jediné pole, ale všechna čtyři pole najednou, tedy více než 1 000 elektroakustických měničů. Generovaný zvuk má frekvenci 40 kHz a při rychlosti zvuku 340 m/s je jeho vlnová délka přibližně 8 mm. Vzdálenost mezi uzly stojatého vlnění dosahuje asi 4 mm. Efektivní akustický tlak jednoho fázového pole v ohnisku při ohniskové vzdálenosti 200 mm je přibližně 2 600 Pa. Obnovovací frekvence levitátoru je 1 kHz a prostorové rozlišení 0,5 mm.

Matematický popis rozložení akustického potenciálu stojatého vlnění, který používají vědci z Japonska, vychází z prací Gor'kova a Nyborga. Popisuje hustotu potenciální energie vlnění ve třech rozměrech a umožňuje modelovat funkci zmíněného levitátoru:

U = g(x, y)2 A2/(ρ0c2)[−B + (B+1−γ) cos2(2πz/λ)].

Do rovnice je možné dosadit hodnotu hustoty média ρ, ve kterém se šíří zvuk, dále její poměr vůči hustotě levitovaného tělesa B a podíl kompresních poměrů tělesa a média γ. Co se týče parametrů prostředí, zbývá ještě dodat rychlost zvuku v médiu c. Funkce g(x, y) představuje dvojrozměrnou normalizovanou distribuci rychlostního potenciálu, ta je spojena s vlastnostmi fázového pole. Rozměry x a y jsou ve směru pole a z ve směru akustické osy. Vlnová délka zvuku je označena λA je efektivní amplituda tlaku. Příklad výpočtu pro dvě dimenze (y = 0) pomocí této rovnice je znázorněn na následujícím grafu.

Graf zobrazující rozmístění minim a maxim potenciální energie

Graf zobrazující rozmístění minim a maxim potenciální energie podél akustické osy z, která je normována k vlnové délce. Výpočet byl zjednodušen položením y = 0. Na obrázku je dobře patrné, že minima potenciálu jsou rozmístěna ve vzdálenosti 0,5 λ. Zdroj: RT.

Na obrázku je vidět, že minima potenciální energie (uzly) jsou skutečně rozmístěna podél akustické osy z ve vzdálenosti λ/2. Výpočet byl proveden pro kuličku expandovaného polystyrenu ve vzduchu. Pro zjištění směru a velikosti síly působící na levitované těleso byla použita formule F = −V grad(U), kde V je objem tělesa. Při dalších experimentech se japonským vědcům podařilo levitovat vodu, kousky dřeva, plasty, polystyren a dokonce i elektronické součástky pro osazování plošných spojů [14].

Vznášející se zrnka polystyrenu

Na obrázku jsou vidět vznášející se zrnka expandovaného polystyrenu. Uprostřed kříže je hlavní ohnisko levitace, vedlejší ohniska se vyskytují na obou akustických osách (obrázek nalevo). Obrázek napravo znázorňuje zvednutí polystyrenových kuliček jako sekvenci snímků v čase. Zdroj: [14].

Video ukazující 3D levitaci v akci. Na záběrech je vidět rozmanitost předmětů, s nimiž lze levitovat a manipulovat do všech stran. Zdroj: [14]. (mp4/h264, 29 MB)

Během experimentu vědci zkoušeli pohybovat levitovanými objekty po kruhových drahách kolem všech tří os, nejstabilnější byl pohyb kolem vertikální osy. V dalším kroku chtějí japonští vědci snížit frekvenci zvuku na 25 kHz, čímž dojde k prodloužení vlnové délky a zvětšení klidové oblasti v uzlu, což umožní levitaci dvojnásobně větších objektů [14].

Aplikace akustické levitace

S další zajímavou aplikací přišli vědci z univerzity ETH v Curychu ve Švýcarsku, kteří používají ultrazvukovou akustickou levitaci pro míchání tekutin a dalších substancí a jejich bezkontaktní transport. Bezkontaktní manipulace se zkoumaným materiálem je zcela zásadní při používání reaktivních a korozivních látek, žíravin a kyselin. Tyto látky totiž vyžadují speciální kontejnery a navíc se předejde kontaminaci těchto zkoumaných látek s materiálem samotného kontejneru.

Zařízení má v tomto případě planární strukturu a dokáže pohybovat předměty pouze ve dvou dimenzích. Funguje opět na principu stojatého vlnění. Elektroakustické měniče jsou umístěny v ploše vedle sebe a namířeny vzhůru proti akustickému reflektoru. Opět byly vybrány Langevinovy elektroakustické měniče a reflektor je umístěn ve vzdálenosti 0,496 λ. Každý z měničů o velikosti 15×15 mm představuje jakousi zastávku pro levitovaný objekt (viz video). Přesun levitované substance mezi dvěma zastávkami je založen na přesunu lokálního minima potenciální energie změnou amplitudy jednotlivých měničů. Měniče pracují na frekvenci 24,3 kHz, což odpovídá vlnové délce λ = 14,2 mm při rychlosti zvuku přibližně 345 m/s. Zařízení vyvinuté v ETH podporuje míchání tekutin v několika krocích. Lze realizovat složité výroby chemických sloučenin, do nichž vstupují neaktivní látky, které se v počátečním kroku aktivují, v dalším použijí a v konečném kroku přijde na řadu jejich stabilizace a neutralizace. To vše bezkontaktně v jednom přístroji. Jednotlivé substance jsou do zařízení vstřikovány pipetami o průměru 1,2 mm. Toto planární zařízení se dá přestavět do polohy, kdy zvládne levitovat i větší objekty, než je vlnová délka generovaného zvuku, například párátko [15].

Demonstrace použití planárního akustického levitátoru. Ukázka míchání tekutin.
Zdroj: [15]. (mp4/h264, 14 MB)

Přesun kapek mezi jednotlivými měniči

Přesun kapek mezi jednotlivými akustickými měniči. Zdroj [15].

Závěr

Akustická levitace je poměrně stará technologie, která se však pořád rozvíjí. Díky neustálému vývoji elektronických součástí dosahuje zajímavých výsledků, jako je například akustická levitace ve třech rozměrech. Akustická levitace tvoří pouze jednu z mnoha metod, jak docílit požadovaného efektu. Magnetické levitaci zřejmě nebude nikdy konkurovat na poli výkonu, avšak oproti ní nezávisí na povaze materiálu levitovaného objektu, který nemusí být feromagnetický, diamagnetický, dielektrický atd. Lze pomocí ní levitovat téměř cokoli, a tím pádem zkoumat chování rozmanitých materiálů bez fyzického kontaktu. Její význam v chemii a biologii demonstrovaný na výsledcích vědců z ETH je evidentní. Nasazení 3D levitace při výrobě a osazování desek plošných spojů nezní nereálně, a tak můžeme očekávat další zajímavé aplikace.

Autorův vlastní pokus o levitaci. (mp4/H264, 1 MB)

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage