Левитация (физика)

Левитация (от лат. levitas , букв. « легкость » ) ^[1] Это процесс, при котором объект удерживается в стабильном положении без механической поддержки посредством какого-либо физического контакта.

Левитация достигается за счет создания направленной вверх силы , которая противодействует силе гравитации (по отношению к гравитации на Земле), а также меньшей стабилизирующей силы, которая подталкивает объект к исходному положению всякий раз, когда он находится на небольшом расстоянии от этого исходного положения. Сила может быть фундаментальной силой, такой как магнитная или электростатическая, или реактивной силой, такой как оптическая, плавучая, аэродинамическая или гидродинамическая. ^{[ нужна ссылка ]}Левитация исключает плавание на поверхности жидкости, поскольку жидкость обеспечивает прямую механическую опору. Левитация исключает парящий полет насекомых, колибри, вертолетов, ракет и воздушных шаров, поскольку объект создает собственную силу противодействия гравитации. ^{[ нужна ссылка ]}

Физика

Левитация (на Земле или любом планетоиде) требует направленной вверх силы, которая компенсирует вес объекта, чтобы объект не падал (ускорялся вниз) и не поднимался (ускорялся вверх). Для обеспечения позиционной устойчивости любое небольшое смещение левитирующего объекта должно приводить к небольшому изменению силы в противоположном направлении. ^{[ нужна ссылка ]} небольшие изменения силы могут быть достигнуты с помощью градиентного поля или активного регулирования. Если объект потревожен, 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 колебаться бесконечно.) ^{[ нужна ссылка ]}

Методы левитации являются полезными инструментами в физических исследованиях. Например, методы левитации полезны для изучения свойств высокотемпературных расплавов, поскольку устраняют проблему реакции с емкостями и позволяют глубоко переохлаждать расплавы. Условия без контейнера можно получить, противопоставляя гравитации силу левитации вместо того, чтобы позволить всему эксперименту свободно падать. ^[2]

Магнитная левитация

Магнитная левитация — наиболее распространенная и используемая форма левитации. Эта форма левитации возникает, когда объект подвешивается с помощью магнитных полей.

Диамагнитные материалы обычно используются в демонстрационных целях. В этом случае возвратная сила возникает за счет 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 охлаждается жидким азотом и левитирует над магнитом, становясь супердиамагнитным. В мощном магнитном поле, использующем диамагнитную левитацию , левитировали даже небольшие живые животные.

Пиролитический графит можно левитировать, поместив его тонкие квадраты над четырьмя кубическими магнитами, при этом северные полюса образуют одну диагональ, а южные полюса - другую диагональ. ^[3] Исследователи даже успешно левитировали (немагнитные) капли жидкости, окруженные парамагнитными жидкостями. ^[4] Процесс такой обратной магнитной левитации обычно называют эффектом Магнето-Архимеда.

Магнитная левитация находится в разработке для использования в транспортных системах. Например, к Маглеву относятся поезда, которые левитируют с помощью большого количества магнитов. Из-за отсутствия трения на направляющих они работают быстрее, тише и плавнее, чем колесные системы общественного транспорта.

Электродинамическая подвеска использует магнитные поля переменного тока.

Электростатическая левитация

В электростатической левитации электрическое поле используется для противодействия силе гравитации. Некоторые пауки стреляют шелком в воздух, чтобы оседлать электрическое поле Земли.

Аэродинамическая левитация

При аэродинамической левитации левитация достигается за счет плавания объекта в потоке газа, либо создаваемого объектом, либо действующего на него. Например, мяч для пинг-понга можно поднять в воздух с помощью потока воздуха из пылесоса, установленного на «удар», используя эффект Коанды , который сохраняет его устойчивость в воздушном потоке. При достаточной тяге с помощью этого метода можно поднять в воздух очень большие объекты.

Левитация газовой пленки

Этот метод позволяет левитировать объект против силы гравитации , плавая на тонкой газовой пленке, образованной потоком газа через пористую мембрану. Используя этот метод, высокотемпературные расплавы можно сохранить чистыми от загрязнений и переохладить. ^[2] Типичным примером общего использования является аэрохоккей , где шайба поднимается тонким слоем воздуха. Суда на воздушной подушке также используют эту технику, создавая под собой 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 поднимается против нисходящей силы тяжести за счет восходящей силы, возникающей в результате фотона передачи импульса ( давления излучения ).

Плавучая левитация

Газы при высоком давлении могут иметь плотность, превышающую плотность некоторых твердых тел. Таким образом, их можно использовать для левитации твердых предметов за счет плавучести . ^[5] Благородные газы предпочтительны из-за их нереакционности. Ксенон — самый плотный нерадиоактивный благородный газ с плотностью 5,894 г/л. Ксенон использовался для левитации полиэтилена при давлении 154 атм.

Казимир сила

Ученые открыли способ левитации сверхмалых объектов, манипулируя силой Казимира , которая обычно заставляет объекты слипаться из-за сил, предсказанных квантовой теорией поля . Однако это возможно только для микрообъектов. ^[6]^[7]

Использование

Поезда Маглев

Магнитная левитация используется для подвешивания поездов, не касаясь пути. Это обеспечивает очень высокие скорости и значительно снижает требования к техническому обслуживанию путей и транспортных средств, поскольку происходит небольшой износ. Это также означает, что трения нет, поэтому единственной силой, действующей против него, является сопротивление воздуха.

Левитация животных

Ученые левитировали лягушек, ^[8] кузнечиков и мышей с помощью мощных электромагнитов, использующих сверхпроводники, вызывающих диамагнитное отталкивание воды в организме. Мыши поначалу вели себя сбитыми с толку, но примерно через четыре часа адаптировались к левитации, не испытав немедленных побочных эффектов. ^[9]^[10]

Дальнейшее чтение

Чарльз П. Стрелов; MC Салливан (2008). «Классная демонстрация левитации...». Американский журнал физики . 77 (9): 847–851. arXiv : 0803.3090 . дои : 10.1119/1.3095809 . S2CID 119108808 . .

См. также

Ссылки

^ Левитировать , «подниматься благодаря легкости», от латинского levitas «легкость», по образцу английского слова « гравитировать » : Онлайн-словарь этимологии.
^ Перейти обратно: ^а ^б Пол С. Нордин; Дж. К. Ричард Вебер; Йохан Г. Абади (2000), «Свойства высокотемпературных расплавов с использованием левитации», Pure and Applied Chemistry , 72 (11): 2127–2136, doi : 10.1351/pac200072112127
^ Уолдрон, Роберт Д. (1966), «Диамагнитная левитация с использованием пиролитического графита», Обзор научных инструментов , 37 (1): 29–35, Бибкод : 1966RScI...37...29W , doi : 10.1063/1.1719946
^ Сингх, Чамкор; Дас, Аруп К.; Дас, Прасанта К. (2018), «Левитация ненамагничивающейся капли внутри феррожидкости» , Journal of Fluid Mechanics , 857 : 398–448, arXiv : 1712.01500 , Bibcode : 2018JFM...857..398S , doi : 10.1017/ jfm.2018.733 , S2CID 53607312
^ http://www.mrs.org/s_mrs/sec_subscribe.asp?CID=12048&DID=275340&action=detail Обработка материалов посредством левитации при высоком давлении газа
^ «Ученые раскрывают секрет левитации, Yahoo! News» . Yahoo.com .
^ «Левитация в миниатюре, нулевая гипотеза» . null-hypothesis.co.uk . Архивировано из оригинала 17 июля 2011 г. Проверено 23 августа 2007 г.
^ «Лягушки левитируют в достаточно сильном магнитном поле» . физика.орг . Проверено 20 ноября 2014 г.
^ «НАСА левитирует мышь с помощью магнитных полей» . Популярная наука . 9 сентября 2009 года . Проверено 20 ноября 2014 г.
^ [1] Мыши левитировали в лаборатории

Внешние ссылки

Словарное определение левитации (физика) в Викисловаре
Диамагнитная левитация (YouTube)
Демонстрация сверхпроводящей левитации

[1] Левитировать , «подниматься благодаря легкости», от латинского levitas «легкость», по образцу английского слова « гравитировать » : Онлайн-словарь этимологии.

[Nordine2000-2] Перейти обратно: ^а ^б Пол С. Нордин; Дж. К. Ричард Вебер; Йохан Г. Абади (2000), «Свойства высокотемпературных расплавов с использованием левитации», Pure and Applied Chemistry , 72 (11): 2127–2136, doi : 10.1351/pac200072112127

[3] Уолдрон, Роберт Д. (1966), «Диамагнитная левитация с использованием пиролитического графита», Обзор научных инструментов , 37 (1): 29–35, Бибкод : 1966RScI...37...29W , doi : 10.1063/1.1719946

[4] Сингх, Чамкор; Дас, Аруп К.; Дас, Прасанта К. (2018), «Левитация ненамагничивающейся капли внутри феррожидкости» , Journal of Fluid Mechanics , 857 : 398–448, arXiv : 1712.01500 , Bibcode : 2018JFM...857..398S , doi : 10.1017/ jfm.2018.733 , S2CID 53607312

[5] ttp://www.mrs.org/s_mrs/sec_subscribe.asp?CID=12048&DID=275340&action=detail Обработка материалов посредством левитации при высоком давлении газа

[6] «Ученые раскрывают секрет левитации, Yahoo! News» . Yahoo.com .

[7] «Левитация в миниатюре, нулевая гипотеза» . null-hypothesis.co.uk . Архивировано из оригинала 17 июля 2011 г. Проверено 23 августа 2007 г.

[8] «Лягушки левитируют в достаточно сильном магнитном поле» . физика.орг . Проверено 20 ноября 2014 г.

[9] «НАСА левитирует мышь с помощью магнитных полей» . Популярная наука . 9 сентября 2009 года . Проверено 20 ноября 2014 г.

[10] [1] Мыши левитировали в лаборатории

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]