Levitação acústica

Abstract

A levitação acústica pode ser uma ferramenta valiosa para auxiliar estudantes de graduação a aprender conceitos básicos de física, tais como movimento harmônico simples, ondas acústicas estacionárias, e energia potencial. Neste artigo, apresentamos o princípio de funcionamento de um levitador acústico e explicamos como aplicar as equações básicas da acústica para determinar a força de radiação acústica que atua numa esfera em uma onda estacionária. Palavras-chave: levitação acústica, ultrassom, acústica, ondas estacionárias.Acoustic levitation can be a valuable tool to assist undergraduate students in learning basic concepts of physics, such as harmonic motion, acoustic standing waves and potential energy. In this paper, we present the working principle of an acoustic levitator and we explain how to apply basic equations of acoustics to determine the acoustic radiation force that acts on a small sphere in a standing wave field. Keywords: acoustic levitation, ultrasound, acoustics, standing waves. IntroduçãoA levitação de objetos em aré tão interessante que muitos mágicos apresentam este truque em seus espetáculos, mas infelizmente, os mágicos guardam seus segredos a sete chaves. Então, em vez de tentar explicar os truques utilizados pelos mágicos, vamos nos ater a outros tipos de levitação, que podem ser explicados a partir de princípios básicos de física. A ideia básica para suspender partículas e objetos em aré aplicar algum tipo de força de tal forma a contrabalancear a força gravitacional [1]. Existem diversas formas de levitar uma partícula, tais como utilizar campos magnéticos [2], campos eletrostáticos [3], feixes de laser [4,5], ou através de ondas acústicas [6,7].Um dos métodos de levitação mais conhecidosé a levitação magnética [2,8]. Na maioria dos casos, campos magnéticos são utilizados para levitar objetos metálicos, mas campos magnéticos intensos também podem ser utilizados para levitar materiais não magnéticos, como gotas deágua por exemplo. Um experimento clássico de levitação magnética foi realizado pelo físico Andre Geim, que utilizou um campo magnético de aproximadamente 16 T para levitar um sapo [9,10]. Devido a este experimento, Andre Geim recebeu o prêmio Ig Nobel em 2000. Dez anos mais tarde, recebeu o prêmio Nobel em física por ter realizado estudos com o grafeno [11], tornando-se aúnica pessoa no mundo a ter conseguido ganhar um prêmio Ig Nobel e um prêmio Nobel.Outra maneira de levitar partículasé através da levitaçãoótica [4]. A levitaçãoóticaé baseada no fato de que uma onda eletromagnética pode exercer uma pressão de radiação em uma superfície. Como a luź e uma onda eletromagnética, ela também exerce uma pressão de radiação ao atingir uma superfície. Apesar de a força exercida pela luz ser desprezível na grande maioria dos casos, ela pode ter importantes consequências práticas. Por exemplo, a força de radiação solar, apesar de ser pequena em relaçãoà força gravitacional, pode ser grande o suficiente para alterar aórbita de um satélite [12]. Para levitar e manipular pequenas partícula...