Левитация - Levitation
Левитация (от латинского levitas «легкость») - это процесс, при котором объект удерживается в воздухе без механической поддержки в устойчивом положении.
Левитация достигается за счет создания восходящей силы, которая противодействует притяжению силы тяжести (по отношению к гравитации на земле), плюс меньшая стабилизирующая сила, которая подталкивает объект к исходному положению, когда он находится на небольшом расстоянии от этого исходного положения. Сила может быть фундаментальной силой, такой как магнитная или электростатическая, или может быть реактивной силой, такой как оптическая, плавучая, аэродинамическая или гидродинамическая. Левитация исключает плавание на поверхности жидкости, поскольку жидкость обеспечивает прямую механическую поддержку. Левитация исключает парящий полет насекомых, колибри, вертолетов, ракет и воздушных шаров, поскольку объект создает свою собственную силу противодействия гравитации.
Физика
Левитация (на Земле или на любом планетоиде) требует восходящей силы, которая нейтрализует вес объекта, чтобы объект не упал (ускорился вниз) или не поднялся (ускорился вверх). Для позиционной стабильности любое небольшое смещение левитирующего объекта должно приводить к небольшому изменению силы в противоположном направлении. небольшие изменения силы могут быть достигнуты градиентным полем (ями) или активным регулированием. Если объект потревожить, он может колебаться вокруг своего конечного положения, но его движение в конечном итоге уменьшается до нуля из-за эффектов демпфирования . (В турбулентном потоке объект может бесконечно колебаться.)
Техники левитации - полезные инструменты в физических исследованиях. Например, методы левитации полезны для изучения свойств высокотемпературных расплавов, поскольку они устраняют проблему реакции с контейнерами и позволяют глубоко переохлаждать расплавы. Бесконтейнерные условия могут быть получены путем противодействия гравитации с помощью силы левитации вместо того, чтобы позволить всему эксперименту свободно падать.
Магнитная левитация
Магнитная левитация - наиболее часто встречающаяся и используемая форма левитации.
Диамагнитные материалы обычно используются в демонстрационных целях. В этом случае возвращающая сила возникает из-за взаимодействия с экранирующими токами . Например, сверхпроводящий образец, который можно рассматривать либо как идеальный диамагнетик, либо как идеально твердый сверхпроводник , легко левитирует в окружающем внешнем магнитном поле. Сверхпроводник сначала сильно нагревается, затем охлаждается жидким азотом, чтобы парить над диамагнетиком. В очень сильном магнитном поле с помощью диамагнитной левитации поднимались даже маленькие живые животные.
Можно левитировать пиролитический графит, помещая его тонкие квадраты над четырьмя кубическими магнитами, при этом северные полюса образуют одну диагональ, а южные полюса - другую диагональ. Исследователи даже успешно подняли (немагнитные) жидкие капли, окруженные парамагнитными жидкостями. Процесс такой обратной магнитной левитации обычно называют эффектом Магнито-Архимеда.
Магнитная левитация разрабатывается для использования в транспортных системах. Например, Маглев включает поезда, которые левитируют большим количеством магнитов. Из-за отсутствия трения на направляющих они работают быстрее, тише и плавнее, чем системы общественного транспорта на колесах.
В электродинамической подвеске используются магнитные поля переменного тока.
Электростатическая левитация
В электростатической левитации электрическое поле используется для противодействия гравитационной силе. Некоторые пауки стреляют шелком в воздух, чтобы управлять электрическим полем Земли.
Аэродинамическая левитация
При аэродинамической левитации левитация достигается путем плавания объекта в потоке газа, создаваемого объектом или воздействующего на объект. Например, мяч для пинг-понга можно левитировать потоком воздуха из пылесоса, установленного на «дуть». При наличии достаточной тяги с помощью этого метода можно левитировать очень большие объекты.
Левитация газовой пленки
Этот метод позволяет поднять объект против силы тяжести , плавая его на тонкой газовой пленке, образованной потоком газа через пористую мембрану. С помощью этой техники высокотемпературные расплавы можно очистить от загрязнения и переохладить. Типичный пример общего использования - аэрохоккей , когда шайба поднимается тонким слоем воздуха. Корабли на воздушной подушке также используют эту технику, создавая под ними большую область воздуха под высоким давлением.
Акустическая левитация
Акустическая левитация использует звуковые волны для создания левитирующей силы.
Оптическая левитация
Оптическая левитация - это метод, при котором материал левитирует против направленной вниз силы тяжести восходящей силой, возникающей в результате передачи импульса фотона ( радиационного давления ).
Плавучая левитация
Газы под высоким давлением могут иметь плотность, превышающую плотность некоторых твердых веществ. Таким образом, их можно использовать для левитации твердых объектов за счет плавучести . Благородные газы предпочтительны из-за их нереактивности. Ксенон - самый плотный нерадиоактивный благородный газ, его концентрация составляет 5,894 г / л. Ксенон использовался для левитации полиэтилена под давлением 154 атм.
Сила Казимира
Ученые открыли способ левитации сверхмалых объектов, манипулируя так называемой силой Казимира , которая обычно заставляет объекты слипаться вместе из-за сил, предсказываемых квантовой теорией поля . Однако это возможно только для микротел.
Использует
Поезда на маглеве
Магнитная левитация используется для остановки поездов, не касаясь рельсов. Это позволяет достичь очень высоких скоростей и значительно снижает требования к техническому обслуживанию гусениц и транспортных средств, так как происходит небольшой износ. Это также означает отсутствие трения, поэтому единственная сила, действующая против него, - это сопротивление воздуха.
Левитация животных
Ученые левитировали лягушек, кузнечиков и мышей с помощью мощных электромагнитов, в которых используются сверхпроводники, вызывающие диамагнитное отталкивание воды в организме. Сначала мыши вели себя сбитыми с толку, но примерно через четыре часа адаптировались к левитации, не испытывая немедленных болезненных эффектов.
дальнейшее чтение
- Чарльз П. Стрелов; MC Салливан (2008). "Демонстрация левитации в классе ...". Американский журнал физики . 77 (9): 847–851. arXiv : 0803.3090 . DOI : 10.1119 / 1.3095809 . S2CID 119108808 ..
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
Словарное определение левитации в Викисловаре