Akustická levitace a manipulace ve třech rozměrech

Fanoušci seriálu Doctor Who dobře znají vlastnosti mýtické Doctorovy pomůcky - sonického šroubováku, který je schopen na dálku manipulovat se širokou škálou předmětů. Příznivci Hvězdných válek si zase jistě v této souvislosti vybaví magické levitační schopnosti rytířů Jedi, kteří umějí na dálku přemisťovat či vrhat předměty.

Výsledky japonských vědců z Tokijské univerzity sice zatím nejsou v tomto směru ani zdaleka tak spektakulární, avšak přesto vyvolávají úžas. Jejich základní pracovní pomůckou je speciální systém čtyř reproduktorů a pole stojatých neslyšitelných ultrazvukových vln s frekvencí kolem 40 kHz, které díky nim vzniká. Tímto způsobem mohou vědci v omezeném prostoru vytvářet jakási ohniska, uzly či fokální body ve zvukovém poli, ve kterých jsou polohy malých hmotných objektů stabilní. Jakýkoliv předmět nacházející se mimo ohnisko je tlačen zvukovými vlnami právě směrem do ohniska/uzlu, kde se síly na něj působící celkově vyrovnávají. Ve dvojrozměrném případě je této situaci podobná například demonstrace stojatých vln na desce, přičemž částice se na ní přemisťují do zvláštních, tzv. Chladniho obrazců.

Levitovat, čili zvedat objekty a držet je stabilně ve vzduchu nad podložkou, je základní cíl, kterého je možno dosáhnout i jiným způsobem, třeba pomocí proudu stlačeného vzduchu nebo magnetického pole. Avšak pohybovat jimi ve všech třech rozměrech již tak snadné není. K tomu museli vědci přibrat v případě akustické levitace další reproduktory, aby mohli spojitě měnit (pomocí změny fáze a frekvence ultrazvukových vln) polohu zvukových fokálních bodů čili silově rovnovážných uzlů v prostoru. Změna polohy těchto fokálních bodů s sebou samozřejmě nese změnu polohy fyzických předmětů, které jsou vždy směrem do těchto ohnisek ve stojatém zvukovém poli automaticky tlačeny. Vědcům se tímto způsobem povedlo manipulovat nejen malými částečkami lehkého polystyrenu, ale zvládli přemisťovat i malý šroubek, matku, malé elektronické součástky, kapku vody nebo kousek dřeva. Nicméně se zdá, že velikost takto přemisťovaných objektů je v podstatě omezena jen množstvím vynaložené energie.

Malý šroubek levituje pomocí pole stojatých neslyšitelných ultrazvukových vln s frekvencí kolem 40 kHz|foto: Yoichi Ochiai, University of Tokyo

Zdroje: Phys.Org, International Science Times, CNet, Los Angeles Times