Научно-практическая конференция школьников-участников проекта "Курчатовские классы".
Секция 2.1 проектной работы: робототехника
НАЗВАНИЕ ПРОЕКТНОЙ РАБОТЫ
Звуковая левитация
Работу выполнил:
Косогоров Валентин Витальевич
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
города Севастополя «Гимназия №10
имени Героя Советского Союза Ефимова Мирона Ефимовича»
г. Севастополь
+ 7 (978) 553-18-08
valentin.kosogorov@yandex.ru
Руководитель проекта:
Прудникова Татьяна Владимировна
учитель физики
Cевастополь
2026
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
Способность поднимать предметы в воздух без прямого контакта издавна привлекала внимание человека. Современная наука предлагает для этого несколько методов, один из которых — звуковая левитация.
В начале 1930-х годов шведский авиаинженер Хенри Кьельсон наблюдал в Тибете, как монахи возводили храм на скале высотой 400 метров. Камень - диаметром примерно полтора метра - дотягивался яком до небольшой горизонтальной площадки, расположенной на 100 метровом расстоянии от скалы. Потом камень сваливали в яму, соответствующую размерам камня и глубиной 15 сантиметров. В 63 метрах от ямы (инженер точно замерил все расстояния) стояли 19 музыкантов, а за ними 200 монахов, располагавшихся по радиальным линиям - по нескольку человек на каждой. Угол между линиями составлял пять градусов. Камень лежал в центре. У музыкантов было 13 больших барабанов, подвешенных на деревянных перекладинах и обращенных звучащей поверхностью к яме с камнем. Между барабанами в разных местах размещались шесть больших металлических труб, тоже направленных к яме. Около каждой трубы стояло по два музыканта, дующих в нее по очереди. По специальной команде весь этот оркестр принимался громко играть, а хор монахов - петь. И вот, как рассказывал очевидец, через четыре минуты, когда звук достигал своего максимума, валун в яме сам собой начинал раскачиваться и вдруг улетал по параболе прямо на вершину скалы. Таким способом, согласно рассказу Хенри, монахи возносили к строящемуся храму пять-шесть огромных валунов каждый час [источник 1].
Прочитав эту легенду, я решил сделать проект на тему звуковой левитации.
Проблема: необходимость подъёма и транспортировки микрокомпонентов без прямого контакта с ними, для соблюдения стерильности и целостности элементов при производстве высокоточных изделий и манипуляций.
Актуальность темы:
Возможность поднимать и удерживать предметы в воздухе с помощью звука открывает новые перспективы в медицине, космонавтике и промышленности.
Цель проекта:
Исследование принципа звуковой левитации и создание простой установки, демонстрирующей это явление.
Задачи:
Изучить, что такое звуковые волны и как они могут влиять на предметы.
Исследовать, как образуется стоячая ультразвуковая волна.
Собрать экспериментальную установку из доступных материалов.
Провести опыты с левитацией лёгких объектов.
Проанализировать результаты.
Объект: пенопластовые шарики диаметром 3-4 мм.
Предмет исследования: звуковая левитация
Гипотеза: с помощью стоячих ультразвуковых волн можно добиться левитации мелких предметов.
Методы исследования:
Анализ материалов из электронных и печатных источников по изучаемой проблеме.
Эксперимент по сборке установки для создания стоячей ультразвуковой волны и проведение опытов по левитации пенопластовых шариков диаметром 3–4 мм.
Анализ, обобщение и систематизация результатов.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Звук — это механические колебания, которые передаются через воздух, воду или твердые тела в виде волн. Когда мы говорим, стучим или играем на музыкальном инструменте, мы создаем колебания частиц воздуха. Эти колебания распространяются во все стороны, как круги на воде от брошенного камня.
1.1 Звуковые волны обладают тремя основными характеристиками:
Амплитуда
— определяет громкость звука (чем больше амплитуда, тем громче звук).
Частота
— определяет высоту тона (измеряется в герцах, Гц). Человеческое ухо слышит звуки в диапазоне от 16 Гц до 20 000 Гц.
Длина волны
— расстояние между двумя одинаковыми точками волны (например, между двумя гребнями).
Ультразвук и его особенности
Ультразвук — это звуковые волны с частотой выше 20 000 Гц, которые не слышит человеческое ухо. Благодаря высокой частоте ультразвуковые волны обладают интересными свойствами:
Они могут создавать направленные пучки звука (как луч фонарика).
При отражении от препятствий образуют стоячие волны — ключевое явление для левитации.
1.2 Как работает звуковая левитация?
Когда две ультразвуковые волны встречаются, они могут усиливать или гасить друг друга. Если волны идут навстречу и совпадают по частоте, образуется стоячая волна — неподвижная картина из областей:
Узлов — точек, где давление почти не меняется (здесь предметы могут "зависать").
Пучностей — точек с максимальным изменением давления.
Для левитации важно, чтобы размер предмета был меньше, чем половина длины звуковой волны. Например, для ультразвука частотой 40 000 Гц (длина волны ~8 мм) можно
левитировать
шарики диаметром до 4 мм.
1.3 Пример из природы и техники
Летучие мыши используют ультразвук для
эхолокации
— принцип тот же: волны отражаются от предметов и помогают "видеть" в темноте.
В медицине ультразвук применяют для диагностики (УЗИ) и даже для бесконтактного перемещения капель лекарств в лабораториях.
1.4 Обзор использованной литературы
При подготовке проекта я проанализировал несколько источников. Фундаментальные труды Л. Бергмана [источник 2] и Е. Скучика [источник 5] позволили понять физические основы ультразвука и механизмы образования стоячих волн. Учебник Г.Я. Мякишева [источник 4] дал систематизированные школьные знания по теме колебаний и волн. Научно-популярные книги И.И. Клюкина [источник 3] и И.Г. Хорбенко [источник 6] помогли наглядно представить практическое применение звуковой левитации. Легенда о тибетских монахах была взята из публикации А. Ревуцкого [источник 1], что послужило отправной точкой для моего интереса к теме. Все источники позволили мне перейти от теории к практической сборке установки.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ПРОВЕРКА ЯВЛЕНИЯ ЗВУКОВОЙ ЛЕВИТАЦИИ ПРИ ПОМОЩИ САМОДЕЛЬНОГО ПРИБОРА
2.1 Материалы для эксперимента
2 печатные
плат
0,10
смы
микросхема TC4427
микросхема AMS-1117
резистор 1 кОм
2 конденсатора 100
нФ
светодиод
8-контакный разъём ИС
2 конденсатора 10 мкФ
Разъём постоянного тока
2 ультразвуковых излучателя
См. приложение 1
2.2 Ход эксперимента
Для создания стоячих ультразвуковых волн необходимо собрать конструкцию, для этого выполнить следующие этапы:
1. Первым этапом я припаял микросхему TC4427, совместив маркировку на корпусе микросхемы с маркировкой на плате (белые точки на микросхеме должны совпадать с белыми точками на плате). ( Приложение 2, рис. 1)
2. После я припаял стабилизатор AMS-1117, выровняв его по шелкографии на плате. Убедился, что все выводы надежно пропаяны, без холодных контактов. (Приложение 2, рис. 2 )
3. Затем мною был припаян резистор 1 кОм и конденсатор 100 нФ. Резисторы и конденсаторы (данного типа) не имеют полярности. (Приложение 2, рис. 3 )
4. Следующим шагом я припаял красный светодиод, обращая внимание на полярность: длинный вывод — "+" (анод), короткий — "-" (катод). Совместил светодиод с маркировкой на плате перед пайкой. ( Приложение 2, рис. 4)
5. Потом я припаял 8-контактную панельку для микросхемы, совместив вырез на панельке с маркировкой на плате. ( Приложение 2, рис. 5)
6. Я припаял электролитические конденсаторы C1 и C3 (10 мкФ), соблюдая полярность: "+" обозначен на корпусе конденсатора, а на плате соответствует шелкографии. (Приложение 2, рис. 6)
7. Затем мною был припаян разъем питания DC, обращая внимание на расположение отверстий. (Приложение 2 ,рис. 7)
8. Следующим я припаял два ультразвуковых излучателя, соблюдая полярность: вывод с черной меткой (кругом) - "+". (Приложение 2, рис. 8)
9. Платы с ультразвуковыми излучателями я собрал в конструкцию, разместив излучатели напротив друг друга.
С готовым изделием можно ознакомится в приложении 2, рис. 9.
10. После подачи электропитания на прибор помещаем в пространство между ультразвуковыми излучателями при помощи пинцета шарики из пенопласта. Наблюдаем, что шарики левитируют между ультразвуковыми излучателями. При отключении электропитания – шарики под действием силы тяжести падают на нижний излучатель.
Изделие в действии изображено в приложении 2, рис. 10.
Заключение
В ходе работы над проектом я изучил информацию о звуковых волнах, их свойствах, влиянии на предметы. А также исследовал образования стоячей ультразвуковой волны, собрал работоспособную установку из доступных компонентов и добился устойчивой левитации пенопластовых шариков диаметром 3-4 мм.
Таким образом мною было экспериментально доказано, что с помощью стоячих ультразвуковых волн действительно можно добиться левитации мелких предметов. Это полностью соответствует изученным физическим принципам распространения звуковых волн и их интерференции.
В процессе эксперимента я определил оптимальные параметры работы системы (частота 40 кГц, расстояние между излучателями 6-7 см) и обнаружил следующие закономерности:
Чем меньше и легче объект, тем стабильнее его левитация;
Наибольшая устойчивость наблюдается в узловых точках стоячей волны;
Материал объекта не влияет на возможность левитации (важен только размер и вес).
Перспективы исследования:
Работа открывает возможности для дальнейших экспериментов:
Исследование левитации жидкостей (капель воды);
Создание многоточечных систем левитации.
Список литературы
1. Анатолий Ревуцкий, Cтроительство при помощи звука, публикация, https://proza.ru/2015/09/06/1865
2. Бергман, Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Изд-во иностранная литература, 1967.- 726 с.
3. Клюкин, И. И. Удивительный мир звука. – Л.: Судостроение, 1978.- 168с.
4. Мякишев, Г.Я. Физика. Колебания и волны. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков. - М.: Дрофа, 2010.-288с.
5. Скучик, Е. Основы акустики (пер. с англ. в 2-х томах) - М.: Мир, 1976.
6. Хорбенко, И. Г. Звук. Ультразвук. Инфразвук .- М.: Изд-во Знание, 1986.- 190с.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рисунок 1 – Компоненты прибора
Рисунок 2 – Приготовления к работе
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8
Рисунок 9
Рисунок 10
Рисунок 11
