 |
Звук- новый путь к левитации
|
|
|
|
ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
ДЕПАРТАМЕНТА ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
ГБОУ ГИМНАЗИИ № 1516
Научный проект
по курсу «Физика»
ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
Москва 2015 год.
Оглавление:
1) Свойства звуковых волн……………………………..3
2) Звук- новый путь к левитации……………………….7
3) Применение ударно-волновой терапии………..……10
4) Применение ультразвук……………...………....……12
5) Биологическое действие инфразвука………………..17
СВОЙСТВА ЗВУКОВЫХ ВОЛН
(ОТРАЖЕНИЕ, ДИФРАКЦИЯ, ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ)
И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
С волнами любого происхождения при определенных условиях можно наблюдать четыре явления. Все эти явления учитываются и широко используются в акустике, звукообработке и радиолокации. Использование звуковых и ультразвуковых волн находит всё большее применение в жизни человека. Их используют в медицине и технике, на их использовании основаны многие приборы, особенно для исследования морей и океанов. Где из-за сильного поглощения радиоволн звуковые и ультразвуковые колебания есть единственный способ передачи информации. Как было сказано выше человек живет в океане звука и нам также не нужно забывать и о чистоте этого океана. Сильные шумы опасны для здоровья человека и могут привести к сильным головным болям и расстройству координации движения.
Отражение волн.
Проделаем опыт с генератором тока звуковой частоты, к которому подключён громкоговоритель (динамик). Мы услышим свистящий звук. На другом конце стола поставим микрофон, соединённый с осциллографом. Поскольку на экране возникает синусоида с малой амплитудой, значит, микрофон воспринимает слабый звук.
|
|
|
Расположим теперь сверху над столом доску. Поскольку амплитуда на экране осциллографа возросла, значит, звук, доходящий до микрофона, стал громче. Этот и многие другие опыты позволяют утверждать, что механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.
Каждый из нас знаком с таким звуковым явлением, как эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от различных преград — стен большого пустого помещения, леса, сводов высокой арки в здании
Оказывается, эхо слышно лишь в том случае, когда отражённый звук воспринимается отдельно от произнесённого. Для этого нужно, чтобы промежуток времени между воздействием этих двух звуков на барабанную перепонку уха составлял не менее 0,06 с.
Большие полупустые помещения с гладкими стенами, полом и потолком обладают свойством очень хорошо отражать звуковые волны. В таком помещении благодаря набеганию предшествующих звуковых волн на последующие получается наложение звуков, и образуется гул. Для улучшения звуковых свойств больших залов и аудиторий их стены часто облицовывают звукопоглощающими материалами.
На свойстве звука отражаться от гладких поверхностей основано действие рупора — расширяющейся трубы обычно круглого или прямоугольного сечения. При использовании рупора звуковые волны не рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок, за счёт чего мощность звука увеличивается и он распространяется на большее расстояние.
Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до окружающих предметов.
Отражения звуковых колебаний могут сильно влиять на конечное восприятие звука – изменять его окраску, насыщенность, глубину. Так, звук идущий от источника, расположенного в закрытом помещении, многократно ударяясь и отражаясь от стен помещения, воспринимается слушателем как реверберация (от лат. «reverbero» – «отбрасываю»). Эффект реверберации широко используется в звукообработке с целью придания звучанию специфических свойств.
|
|
|
Дифракция волн. В переводе с латинского «дифрактус» означает «разломанный». В физике дифракцией называется отклонение волн от прямолинейного распространения в одной и той же среде, приводящее к огибанию ими препятствий.
|
Взгляните теперь на другой рисунок волн на поверхности моря (вид с берега). Волны, бегущие к нам издалека, заслоняются большой скалой слева, но при этом частично огибают её. Скала меньших размеров справа и вовсе не является преградой для волн: они полностью её огибают, распространяясь в прежнем направлении.
Опыты показывают, что дифракция наиболее отчётливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было.
Если вы внимательно наблюдали за рябью на поверхности воды, то могли заметить, что мелкие предметы (торчащие из воды ветки, небольшие камни) не являются препятствиями для волн. Волны практически «не замечают» их. Однако за препятствием с большими размерами (например, плавающий в воде плот) волны исчезают. Вывод, который можно сделать, оказывается справедлив для волн любой природы: волны свободно огибают препятствия, размеры которых сравнимы или меньше длины волны. Такое явление называют дифракцией.
Именно дифракция не дает возможности увидеть атомы и молекулы в микроскоп со сколь угодно большим увеличением. Размеры атомов и молекул много меньше длины волны видимого света.
Волны способны огибать препятствия. Так, морские волны свободно огибают выступающий из воды камень, если его размены меньше длины волны или сравнимы с ней. За камнем волны распространяются так, как если бы его не было совсем. Точно так же волна от брошенного в пруд камня огибает торчащий из воды прутик. Только за препятствием большого, по сравнению с длиной волны, размера образуется «тень»: волны за препятствие не проникают.
Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны. Вы можете слышать сигнал машины за углом дома, когда сей машины не видно. В лесу деревья заслоняют ваших товарищей. Чтобы их не потерять, вы начинаете кричать. Звуковые волны, в отличие от света, свободно огибают стволы деревьев и доносят ваш голос до товарищей.
|
|
|
Интерференция волн. Мы рассмотрели явления, связанные с распространением одной волны: отражение и дифракцию. Рассмотрим теперь распространение с наложением друг на друга двух или более волн – явление интерференции (от лат. «интер» – взаимно и «ферио» – ударяю). Изучим это явление на опыте.
|
К генератору тока звуковой частоты присоединим два динамика, соединённые параллельно. Приёмником звука, как и в первом опыте, будет микрофон, подключённый к осциллографу.
Начнём двигать микрофон вправо. Осциллограф покажет, что звук становится то слабее, то сильнее, несмотря на то, что микрофон удаляется от динамиков. Вернём микрофон на среднюю линию между динамиками, а затем будем двигать его влево, снова удаляя от динамиков. Осциллограф вновь покажет нам то ослабление, то усиление звука.
Этот и многие другие опыты показывают, что в пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция может приводить к возникновению чередующихся областей с усилением и ослаблением колебаний.
Сложение механических волн — их взаимное наложение — проще всего наблюдать на поверхности воды. Если возбудить две волны, бросив в воду два камня, то каждая из этих волн ведет себя так, как будто другой волны не существует. Аналогично ведут себя звуковые волны от разных независимых источников. В каждой точке среды колебания, вызванные волнами, просто складываются. Результирующее смещение любой частицы среды представляет собой алгебраическую сумму смещений, которые происходили бы при распространении одной из волн в отсутствие другой.
Если одновременно в двух точках О1 и О2 возбудить в воде две когерентные гармонические волны, то будут наблюдаться гребни и впадины на поверхности воды, не меняющиеся со временем, т. е. возникнет интерференция.
|
|
|
Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она концентрируется в максимумах за счет того, что в минимумы не поступает совсем.
Применение интерференции:
1. Проверка качества обработки поверхностей
2. "Просветление" оптики.
3. Интерферометры.
Радужная оболочка мыльного пузыря - вот наглядный пример интерференции.
Явление интерференции света находит широкое применение в современной технике. Одним из таких применений является создание "просветленной" оптики. Отполированная поверхность стекла отражает примерно 4% падающего на нее света. Современные оптические приборы состоят из большого числа деталей, изготовленных из стекла. Проходя через каждую из этих деталей, свет ослабляется на 4%. Общие потери света в объективе фотоаппарата составляют примерно 25%, в призменном бинокле и микроскопе - 50%
ЗВУК- НОВЫЙ ПУТЬ К ЛЕВИТАЦИИ
Левитация (от лат. levitas «легкость, легковесность») — психическое или физическое явление, при котором предмет без видимой опоры пари́т в пространстве (то есть левитирует), не касаясь твёрдой или жидкой поверхности. Левитацией не считается полёт, совершаемый за счёт отталкивания от воздуха, как у насекомых или птиц.
Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Звуковые волны окружают человека, однако часто он просто не задумывается об их присутствии. Звуки можно слышать, но они не осязаемы. Громкие звуки отрицательно воздействуют на человека, создают шум. Неслышные звуки могут создавать ощущения, однако не воспринимаются сознанием человека.
Звук высокой плотности может стать осязаемым как некоторый предмет. Однако, законы распространения звуковых волн не дают представление о звуке как движущей силе. Что ощущается предметно: сам звук или вибрации окружающих объектов?
Мысль о том, что такое нематериальное может поднимать предметы, может казаться невероятной, но это реальное явление. Акустическая левитация использует свойство звука вызывать колебания в твердом веществе, жидкости и тяжелых газах. Возможность производства антигравитационной силы с помощью звуковых волн была известна в древности.
Принцип действия акустической левитации заключается в производстве звуковых волн в закрытой области. За счет сжатия и разрежения воздуха звуковыми волнами образуются области низкого и высокого давления - узлы и пучности стоячей звуковой волны. В узлах действует сила гравитации: частицы воздуха и взвешенные микрочастицы стремятся к центру узла. В пучностях действует сила антигравитации: частицы воздуха и взвешенные частицы стремятся покинуть пучность.
|
|
|
Похожие опыты могут проводиться в магнитном и электрическом поле для преодоления силы тяжести и уравновешивания объектов в левитирующем состоянии.
Способ звуковой левитации основан на использовании звуковых волн для уравновешивания силы тяжести. На Земле это может привести к эффекту всплытия объектов и плавания над поверхностью Земли. В космосе это способ балансировки и стабилизации объектов в невесомости.
Техника использует звуковые волны для парения объектов в воздухе
Парящие кофейные зерна, танцующие в воздухе капли воды, летающие зубочистки — если вы пройдетесь по одной из швейцарских лабораторий, вы не поверите своим глазам. Впервые ученые нашли возможность манипулирования объектами в толще воздуха при помощи звуковых волн.
Открытая физиками акустическая левитация может быть использована для создания новых материалов, проведения деликатных экспериментов и даже — теоретически — для левитации человека.
Акустическую левитацию придумали в NASA в 1980-х годах, но до настоящего времени ученые не могли удерживать объекты на месте или вращать их вокруг собственной оси. Теперь исследователи из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе разработали способ перемещения объектов и удержания более одного предмета в воздухе одновременно.
Швейцарская система использует вибрирующие квадратные платформы, каждая из которых имеет размер ногтя большого пальца руки. Эти миниатюрные устройства испускают звуковые волны, которые отражаются от поверхностей тел, расположенных над платформой. При некоторых частотах отраженный звук вместе со звуком, исходящим от платформы, образует так называемую стоячую волну, у которой есть некоторые точки, или узлы, остающиеся неподвижными при колебании волны. Объект, размещенный в одной из таких точек, может парить в воздухе за счет баланса силы действия звуковой волны и гравитации.
Изменяя силу звука, исследователи научились переносить объекты с платформы на платформу. В качестве яркой демонстрации метода они растворили гранулу растворимого кофе, перенеся ее внутрь парящей капли воды, и даже научились управлять парящей зубочисткой.
«Наша идея заключалась в том, чтобы плотно упаковать “левитаторов” и затем “перебрасывать мячик” от одного к другому», — объясняет д-р Дэниел Форести (Daniele Foresti), руководивший исследованиями.
Чтобы произвести достаточную подъемную силу, система вырабатывает звуковые волны интенсивностью 160 дБ — такую интенсивность имеет звук взлетающего рядом с вами реактивного самолета. Поэтому ученые применяли ультразвуковые волны частотой 24 000 Гц, слишком высокие, чтобы их было слышно человеку.
Звуковая левитация может помочь химикам перемещать опасные вещества без того, чтобы брать их в руки, двигать отдельные клетки без риска их загрязнить или повредить, манипулировать жидкостями, охлажденными ниже точки их замерзания. «Суперохлажденные жидкости начинают замерзать, как только они соприкасаются со стенками емкости, — поясняет Форести. — Но с помощью левитации мы можем сохранить их в жидком состоянии. Например, мы можем использовать нашу систему для того, чтобы соединить два суперохлажденных металла и создать новые типы сплавов».
|
|
|
