Levitação acústica

acule topoLevitação acústica é um método para suspender matéria, em determinado meio, através da aplicação de pressão de radiação acústica de intensas ondas de som no ambiente em questão. Levitação acústica é possível devido aos efeitos não lineares das ondas sonoras intensas. Alguns métodos podem levitar objetos com sons inaudíveis ao ouvido humano, como o demonstrado no Otsuka Lab.[2] Há muitas maneiras de criar esse efeito, como utilizar uma onde por debaixo do objeto e refleti-la de volta para a onda, através do emprego de um tanque de vidro acrílico para criar um campo acústico de grandes dimensões.

Levitação acústica é geralmente usada em processamento sem contêiner, que ganha cada vez mais importância devido ao pequeno tamanho e pouca resistência dos microchips, e de coisas assemelhadas nos diversos ramos da indústria tecnológica. Processamento sem contêiner também é usado em aplicações que demandam materiais de um alto grau de pureza, ou reações químicas que tende acontecer rigorosamente em um espaço delimitado. Esse método é de controle mais complexo do que outros que empregam esse tipo de processamento, como a levitação eletromagnética, porém com a vantagem de conduzir materiais não condutores

Em 2013, a levitação acústica progrediu do estágio "sem movimento" para o nível em que se pode controlar o movimento de objetos pairando, uma habilidade muito útil nas indústrias eletrônica e farmacêutica.[3] Um protótipo de uma matriz quadrado de emissores acústicos, similar a um tabuleiro de xadrez, é capaz de mover objetos de um quadrado para outro, através da lenta diminuição da intensidade sonora emitida de um quadrado, enquanto aumentava a intensidade sonora do outro.

Não há limite teórico conhecido para o que a levitação acústica pode levantar, desde que se forneça uma quantidade de som vibratório proporcional, mas a tecnologia atual é capaz de erguer apenas alguns quilogramas.[4] Levitadores acústicos tem suas maiores aplicações voltadas à indústria e para pesquisadores de efeitos antigravidade, como a NASA.


Como funciona a levitação acústica

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A menos que esteja viajando pelo vácuo do espaço, o som está ao seu redor todos os dias. Mas, na maior parte do tempo, você provavelmente nem o imagina como algo físico. Não tocamos o som, nós o ouvimos. As únicas exceções para essa regra podem ser as danceterias, os carros com alto-falantes potentes e as máquinas de ultra-som usadas para pulverizar as pedras dos rins. Mas, mesmo nesses casos, você provavelmente não pensa no que está sentindo como som, mas como vibrações que o som cria em outros objetos.

A idéia de que algo tão intangível seja capaz de erguer objetos pode parecer difícil de se acreditar, mas é um fenômeno real. A levitação acústica se aproveita das propriedades do som para fazer com que sólidos, líquidos e gases pesados flutuem. O processo pode acontecer tanto na gravidade normal como em gravidade reduzida, ou seja, o som pode fazer objetos levitarem na Terra ou em locais do espaço preenchidos por gases.

Para compreender como funciona a levitação acústica, primeiro você precisa saber um pouco sobre a gravidade, o ar e o som. Em primeiro lugar, a gravidade é uma força que faz com que objetos se atraiam. A maneira mais simples de entender a gravidade é através da Lei da gravitação universal, de Isaac Newton. Essa lei afirma que toda partícula do universo atrai todas as outras partículas. Quanto maior a massa de um objeto, mais força ele tem para atrair outros objetos. E quanto mais próximos os objetos estão, mais fortemente eles se atraem. Um objeto enorme, como a Terra, atrai objetos próximos a ele com relativa facilidade. E, embora os cientistas ainda não tenham decidido o que exatamente causa essa atração, eles acreditam que ela exista em todos os lugares do universo.

Em segundo lugar, o ar é um fluido que se comporta essencialmente da mesma maneira que os líquidos. E, como eles, é composto de partículas microscópicas que se movem umas em relação às outras. O ar também se move como a água (na verdade, alguns testes aerodinâmicos acontecem debaixo da água em vez de acontecerem no ar). As partículas nos gases, assim como as que formam o ar, estão mais separadas e se movem mais rapidamente do que as partículas em líquidos.

Por último, temos que o som é uma vibração que viaja através de um meio, como um gás, um líquido ou um objeto sólido. Uma fonte de som é um objeto que se movimenta ou muda de forma muito rapidamente. Por exemplo, se você tocar um sino, ele vai vibrar no ar. Conforme um lado do sino se afasta, ele empurra as moléculas de ar próximas a ele, aumentando a pressão naquela região do ar. Essa área de pressão maior é uma compressão. Conforme o lado do sino volta, ele puxa as moléculas e as faz se afastarem, criando uma região de baixa pressão chamada rarefação. Então, o sino repete o processo, criando uma série de compressões e rarefações, na qual cada repetição é um comprimento de onda da onda sonora.

A onda sonora viaja enquanto as moléculas em movimento empurram e puxam as moléculas ao seu redor, o que faz com que cada molécula movimente a que está próxima a ela também. Sem esse movimento de moléculas, o som não poderia viajar, o que explica o motivo de não haver som no vácuo. Assista a animação a seguir para aprender mais sobre os princípios básicos do som.

A levitação acústica utiliza o som que viaja por um fluido, normalmente um gás, para contrapor a força da gravidade. Na Terra, isso pode fazer que objetos e materiais pairem no ar, sem nenhum tipo de suporte. Já no espaço, esse fenômeno pode segurar objetos no lugar e impedi-los de se moverem ou vagarem por aí. O processo se baseia nas propriedades das ondas sonoras, especialmente ondas sonoras intensas. Na próxima seção, vamos dar uma olhada em como as ondas sonoras se tornam capazes de erguer objetos.


Brasileiros domam levitação acústica

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2015 - Levitação sônica: Uma equipe de pesquisadores da USP (Universidade de São Paulo) desenvolveu um novo dispositivo de levitação que consegue fazer pairar um pequeno objeto com um nível de controle nunca antes obtido por instrumentos similares.

Com destaque na capa da revista Applied Physics Letters, o dispositivo levita partículas de poliestireno refletindo ondas sonoras em um refletor côncavo. Alterando a orientação do refletor é possível movimentar as partículas em levitação.

Embora já existissem outros equipamentos de levitação sônica capazes de movimentar diferentes tipos de partículas, esses dispositivos sempre dependeram de um ajuste preciso, no qual a fonte do som e o refletor fiquem a distâncias de "ressonância" fixas e muito precisas, o que torna muito difícil controlar a posição dos objetos levitados.

Levitação com controle

O dispositivo feito pelos pesquisadores brasileiros mostra que é possível construir um aparelho de levitação "não-ressonante" - que não requer uma distância fixa de separação entre a fonte e o refletor. Este pode ser um passo importante para a construção de aparelhos maiores que poderiam ser usados para lidar com materiais perigosos e materiais quimicamente sensíveis, como produtos farmacêuticos - ou para fornecer tecnologia para uma nova geração de brinquedos mirabolantes para as crianças.

"As fábricas modernas têm centenas de robôs para mover as peças de um lugar para outro," comentou Marco Aurélio Andrade, que liderou a pesquisa. "Por que não tentar fazer o mesmo sem tocar nas peças a serem transportadas?"

O aparelho que Marco Aurélio e seus colegas construíram só foi capaz de levitar partículas muito leves, bolinhas de poliestireno (isopor) de cerca de 3 mm de diâmetro. "O próximo passo é melhorar o dispositivo para levitar materiais mais pesados," promete ele.

Como a levitação acústica funciona

Em uma configuração típica, um aparelho de levitação acústica consiste em um cilindro superior com um transdutor - um alto-falante - que emite ondas sonoras de alta frequência. Quando essas ondas batem no fundo côncavo do aparelho - o refletor - elas são refletidas de volta.

As ondas refletidas, que estão subindo, interagem com ondas recém-emitidas, que estão descendo, produzindo o que é conhecido como ondas estacionárias, que têm pontos (ou nós) de pressão acústica mínima - se a pressão acústica nesses nós for forte o suficiente, ela pode neutralizar a força da gravidade e permitir que um objeto flutue no ar.

Nos dispositivos de levitação feitos até agora, a distância entre o emissor de som e o refletor tinha que ser cuidadosamente calibrada para se obter a ressonância e, por conseguinte, a levitação. Isto significa que a distância de separação dos dois deve ser igual a um múltiplo da metade do comprimento de onda das ondas sonoras. Se essa distância de separação é alterada, mesmo que ligeiramente, o padrão de onda estacionária é destruído e a levitação deixa de funcionar. O novo aparelho de levitação não exige uma separação precisa. Na verdade, a distância entre o emissor de som e o refletor pode ser continuamente alterada em tempo de voo, sem afetar em nada o desempenho da levitação. "Basta virar o levitador e ele está pronto," resumiu Marco Aurélio.


Da ficção para a realidade: como a levitação pode ser usada na tecnologia

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2013 - A capacidade e levitar e desafiar as leis da gravidade parece uma ideia possível apenas nas melhores obras de ficção científica ou mesmo em nossa imaginação. O conceito em si não é estranho; afinal, quem nunca sonhou em levantar objetos sem tocá-los, como em um truque de mágica, ou pilotar carros que viajam pelos ares? A realidade prática da levitação, porém, era considerada inviável até agora. Pesquisadores sempre se perguntavam como seria possível criar um campo de força capaz de superar a gravidade sem danificar as estruturas e os componentes dos objetos.

Cientistas suíços parecem ter encontrado uma solução: utilizando ondas sonoras de alta potência, a equipe conseguiu levantar partículas de água e até mesmo um palito de madeira. Entre as experiências, esses pesquisadores conseguiram fazer café instantâneo no ar, combinando a fórmula com moléculas de água, e puderam também inserir trechos de DNA em uma célula sem tocar diretamente as amostras. Levitação acústica Estamos falando de levitação de estruturas de tamanho reduzido, inclusive em níveis celulares, mas isso não significa que a prática nessas dimensões não tenha seus próprios desafios e aplicações. A força do som pode, por exemplo, fazer explodir uma gota-d’água ou danificar tecidos e organismos.

Para entender como funciona essa técnica, os pesquisadores sugerem imaginar uma mesa cheia de lâmpadas, todas elas equipadas com dimmers de controle de intensidade. Você pode diminuir o brilho de uma lâmpada e aumentar o de uma próxima como forma de manter o equilíbrio de luminosidade do ambiente, sem prejuízo, e modificar a direção das ondas. O sistema de levitação acústica funciona de maneira parecida. Cada centímetro do campo de força sonora é ajustado por um software que controla a intensidade das ondas e permite que os objetos sejam levitados e deslocados pelo espaço.

Frequência inaudível ao ouvido humano

As ondas sonoras exercem uma pressão quando atingem a superfície de um objeto, mas geralmente os efeitos são pequenos demais para que sejam notados. Porém, com uma forte intensidade, o som é capaz de neutralizar e superar a força gravitacional. O modelo de levitação desenvolvido pela equipe suíça utiliza níveis sonoros acima de 160 decibéis, o que é um volume ainda mais alto do que o registrado próximo a um foguete em lançamento, e o suficiente para estourar os tímpanos humanos. Apesar da alta intensidade do campo sonoro criado nesse experimento, os cientistas não precisaram utilizar qualquer tipo de proteção auricular. Isso porque as ondas sonoras foram emitidas em uma frequência de 24 mil Hz – a mesma de um apito para cães –, que não é captada pelos ouvidos humanos.

Hyperloop: uma aplicação comercial inviável

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Um projeto desenvolvido pelo empresário Elon Musk propõe uma solução de transporte subterrâneo que utiliza um mecanismo de suspensão por pressão do ar. O Hyperloop consiste em uma série de vagões que circulam encapsulados em um tubo que tem as condições ambientais necessárias para que o veículo se desloque a 1.220 km/h, muito próximo à barreira do som.

Com a baixa pressão no interior dos vagões, a linha do Hyperloop viajaria suspensa no ar, sem atrito com trilhos ou com qualquer tipo de suporte físico, o que aumenta a sua velocidade de deslocamento. Apesar de a proposta parecer boa no papel, o sistema de transporte de Musk é considerado inviável pelas condições das cidades hoje em dia, que não têm estrutura para suportar uma obra desse tamanho.

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Para os fãs de ficção e que sempre imaginavam um meio de transporte que levita do solo, a boa notícia é que, ainda que o Hyperloop nunca seja desenvolvido, Musk publicou o projeto “em código aberto” para que outros cientistas e empreendedores possam aproveitar os conceitos e utilizar a técnica em outros equipamentos e veículos.


Fonte: https://pt.wikipedia.org
http://ciencia.hsw.uol.com.br/
http://www.inovacaotecnologica.com.br/
PNAS.ORGTHE WASHINGTON POSTARGONNE NATIONAL LABSPACE XTHE ATLANTIC CITIES

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