Kuidas töötab akustiline levitatsioon?

Video näitab, kuidas pisikesed penoplastist kuulikesed hõljuvad õhus. 

Millest tekib gravitatsioonijõudu tasakaalustav jõud? 

Kui vaatate uuesti akustilist levitatsiooni tekitavat seadet videos, siis leviteerivate kuulikeste all hõbedane silindriline objekt on ultraheli tekitav kõlar, taamal on 28,9kHz sagedusega elektrisignaali tekitav generaator ja võimendi. Kõlari kohal on puidust ketas, mis peegeldab sinna jõudnud ultraheli tagasi. 

Seisulaine tekkimine. Kui kaks sama lainepikkuse ja sagedusega lainet liiguvad üksteisele vastu (sinine ja roheline laine järgneval animatsioonil), siis nende liitudes tekib laine, mille sõlmed (kohad, kus laine amplituud on alati null) ei liigu (punane graafik alljärgneval animatsioonil). 

Akustilist levitatsiooni tekitavas seadmes on olemas nii üles kui ka alla liikuv laine. Seega tekib kõlari ja puidust ketta vahele seisuline, nagu skemaatiliselt näidatud joonisel paremal.

Seisulaines kuulikesele mõjuv jõud. Kui kuulike asub seisulaines, siis rõhk kuuli ümber perioodiliselt muutub (eksole, helilaine on tegelikult õhurõhulaine). Paneme tähele, et kuuli ülemisele ja alumisele küljele mõjuv rõhk erineb. Järelikult on ka kuuli ülemisele ja alumisele küljele mõjuv jõud erinev ning kuulile mõjuvate jõudude summa ei ole null.     

Joonisel on rohelise ja punase graafikuga näidatud rõhk seadmes kahel erineval ajahetkel. Nende kahe ajahetke vahe on pool võnkeperioodi.  Rohelise graafikuga kujutatud ajahetkel mõjub kuulikese ülemisele küljele suurem rõhk ja alumisele väiksem, seega mõjub kuulile allapoole suunatud jõud. Punase graafikuga kujutatud ajahetkel mõjub kuuli ülemisele küljele väiksem rõhk ja alumisele suurem rõhk, seega mõjub kuulile ülespoole suunatud jõud.

Seega mõjub kuulile kord üles ja siis jälle allapoole mõjuv perioodiline jõud. Ehk siis jõud on olemas ... aga selliselt ei ole võimalik seletada, miks kuulike seisulaine sõlme kohta tagasi lükatakse. Sest kirjeldatud perioodilise jõu ajaline keskmine on null sõltumata kuulikese asendist seisulaine suhtes.

Kuidas edasi?

Väga ei saagi. Sest sellel justkui lihtsal lool on mittelineaarne lõpp. Huvilisemad võivad piiluda käesoleva kirjatüki lõpus viidatud artiklit (Barmatz 1985) või lugeda sellest viitest lihtsustatud selgitust, misasi on akustiline kiirguspotentsiaal. Igatahes "selgub", et seisulaines on kuulikesel energeetiliselt kõige kasulikum olla seisulaine sõlmes. Kui kuulike liigub sealt üles või alla, siis keskmine jõud mõjub nii, et kuulike liigub sõlme kohta tagasi.

Allpool on video, mis toimuvat illustreerib. Seal on näha seisulaine ajaline käitumine (suure amplituudiga sinusoidaalne graafik), seisulaines kuulikesele mõjuv jõud (must nool), kuulikese akustiline potentsiaal seisulaines (väiksema amplituudiga sinusoidaalne graafik) ja akustilisest potentsiaalist tingitud kuulikesele mõjuv jõud (punane nool). Rõhkude erinevusest tingitud jõu (must nool) keskväärtus on null, akustilisest potentsiaalist tingitud jõud (punane nool) on suunatud alati seisulaine sõlme poole.  

Põnev seade sellegipoolest, eksole? 

Kasutatud kirjandus

1. M. Barmatz, P. Coilas, “Acoustic radiation potential on a sphere in plane, cylindrical, and spherical standing wave fields,” J. Acoust. Soc. Am. 77 (3), 1985.
2. Loos on kasutatud Tauri Reivelti Nõo Põhikoolis tehtud loovtöö tulemusi.