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声悬浮

标签: 声悬浮 电磁悬浮

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  声悬浮技术是地面和空间条件下实现材料无容器处理的关键技术之一,和电磁悬浮技术相比,它不受材料导电与否的限制,且悬浮和加热分别控制,因而可用以研究非金属材料和低熔点合金的无容器凝固.
  声悬浮现象最早是1886年由Kundt发现的,后由King、Gor?kov等人对其物理机理进行了比较全面的理论阐述.80年代以来,随着航天技术的进步和空间资源的开发利用,声悬浮逐渐发展成为一项很有潜力的无容器处理技术.声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应,其基本原理是利用声驻波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重量,同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压波节处.声悬浮技术分为三轴式和单轴式两种,前者是在空间三个正交方向分别激发一列驻波以控制物体的位置,后者只在竖直方向产生一列驻波,其悬浮定位力由圆柱形谐振腔所激发的一定模式的声场来提供.
  没有失重,鱼和蚂蚁却能飘浮在半空中———
  没有翅膀的鱼和蚂蚁竟然可以优哉游哉地飘浮在空中,这可不是魔术表演的现场,也不是在模拟太空失重环境,而是发生在西北工业大学实验室的真实一幕。主持这项实验的解文军是西北工业大学的材料物理学家,当然科学家们并非故意在和这些小动物开玩笑,而是在进行一项声悬浮研究。
  ■鱼和蚂蚁飘浮在空中
  普通物体和动物由于自身的重力作用,如果不借助外力不可能克服地心引力,自由飘浮在空中。当然也有例外,宇航员在太空中也体验过失重的感觉,可以悬浮在空中。这是因为宇航员搭乘的航天器,运动轨迹处在两个天体的引力平衡点上,比如地球和月球的引力互相抵消,这时航天器就处在失重环境中,重力为零,自然就能飘起来了。
  这些飘浮在空中的鱼和蚂蚁难道也是因为科学家通过特殊手段为它们营造出了一个失重环境吗?“鱼和蚂蚁的飘浮不是一种失重现象。”失重的猜测马上遭到了解文军的否定,看来答案并非如此简单。
  如果鱼和蚂蚁依然没有逃脱自身重力的作用,从力的平衡角度考虑,必定有一个来自外部的力量帮助它们克服了重力,最终实现飘浮。这个我们看不到的力量到底来自哪里呢?
  ■在空中飘浮,小动物显得比较紧张
  解文军告诉我们,实际上他们只是巧妙利用了声波。在实验中,上面的声发射端发出声波,声波抵达下端的声反射端后被反射回来,反射回来的声波与继续向反射端传播的声波重叠,如此就形成了驻波,驻波不会像声波一样向前运动,只是在原地上下振动,振幅最大处叫波腹,振幅最小处即看上去静止不动处叫波节。只要把鱼和蚂蚁等小动物放到波节处,它们也就静止不动了。
  进行实验时,只要先调节好反射端到发射端之间的距离,波节位置就是固定的,这时只要用镊子将蚂蚁、瓢虫和小鱼等小动物放在这个位置就可以了。飘浮在空中的时候,这些动物都显得比较紧张,蚂蚁手舞足蹈地企图四处游走,瓢虫也使劲拍打着翅膀,似乎想飞走。但是它们的身体并没有受到伤害,不过小鱼的活力显然受到了一些影响,因为离开了有水的环境,所以当小鱼飘浮在空中的时候,解文军还在一旁不停地给小鱼进行“淋浴”。
  ■声波到达一定强度,人能飘浮起来吗?
  事实上,早在2002年,解文军和同事就曾经利用声波悬浮起了固体铱和液体汞。从2003年起,他们开始关注有生命物体的声悬浮。
  那么,如果声波达到一定强度,是否有可能将人也悬浮起来呢?解文军说,实验证明,声悬浮原则上可以悬浮起一定体积的任何固体和液体,他们实验中悬浮的动物有地上爬的、水中游的以及天上飞的,但是小动物的尺寸都不超过1厘米。这是因为,声悬浮的原理决定了悬浮物体的尺寸必须小于半波长。对超声波段,可以悬浮的物体尺寸不超过1厘米。目前还没有看到能够悬浮像人这么大尺寸的物体的声悬浮器。
  ■国外科学家尝试将青蛙悬浮起来
  将活着的动物悬浮起来的实验国外也有科学家进行过尝试。1997年,荷兰奈梅亨大学的物理学家安德烈·杰姆和英国布里斯托尔大学的麦克尔·贝利爵士,曾经使用磁石使青蛙飘浮起来。他们利用一块超导磁石将一只活着的青蛙飘浮在半空中。青蛙本身是一个非磁体,但是通过电磁石的磁场而变得有磁性。
  除此之外,超导体也会因为它们对磁场的排斥力而自动浮起。这一原理已在日本得到验证,1996 年日本在磁场悬浮实验中,利用一个金属盘子将体重为142公斤的相扑运动员悬起。相同的原理也被用于研制磁悬浮列车,尽管现在使用的磁悬浮列车多用电磁场来实现,但它们的原理是一致的。

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