A física da levitação acústica

Um levitador acústico báscio tem duas partes principais: um transdutor, que é uma superfície vibratória que cria sons, e um refletor. Normalmente, o transdutor e o refletor têm superfícies côncavas para ajudar a focalizar o som. O processo é muito simples: uma onda sonora viaja do transdutor e é rebatida pelo refletor. Três propriedades básicas dessa onda é que a auxiliam a suspender objetos no ar.

A primeira é que ela, como todos os sons, é uma onda de pressão longitudinal. Em uma onda longitudinal, o movimento dos pontos na onda é paralelo à direção de sua viagem, algo semelhante ao tipo de movimento que você veria se empurrasse e puxasse a extremidade de uma mola de brinquedo. No entanto, a maioria das ilustrações mostra o som como uma onda transversal, que é o que você veria se movesse uma ponta dessa mola, e que agora necessitaria estar na horizontal, para cima e para baixo. Isso acontece simplesmente porque ondas transversais são mais fáceis de visualizar do que ondas longitudinais.

A segunda propriedade é que a onda pode se refletir em superfícies, seguindo a Lei da reflexão, que afirma que o ângulo de incidência (o ângulo no qual algo atinge uma superfície) é igual ao ângulo de reflexão (o ângulo no qual ele deixa a superfície). Em outras palavras, uma onda sonora rebate em uma superfície com o mesmo ângulo que atingiu essa superfície. Uma onda sonora que atinge uma superfície a um ângulo de 90º será refletida de volta para o mesmo lugar de onde veio, com o mesmo ângulo. A maneira mais fácil de compreender a reflexão de ondas é imaginar uma daquelas molas de brinquedo presa a uma superfície horizontal por uma de suas extremidades. Se você pegasse a extremidade livre da mola e a movimentasse rapidamente para cima e para baixo, uma onda iria percorrer o comprimento da mola. E quando a onda atingisse a extremidade fixa da mola, seria refletida na superfície e voltaria em sua direção. Dessa forma, podemos dizer que você criaria uma onda longitudinal na mola.

E finalmente, quando uma onda sonora se reflete em uma superfície, a interação entre suas compressões e rarefações causa interferência. As compressões que encontram outras compressões se amplificam, e compressões que encontram rarefações acabam entrando em equilíbrio com elas. Algumas vezes, a reflexão e a interferência podem se combinar para criar uma onda estacionária. Essas ondas estacionárias parecem se deslocar para frente e para trás, ou vibrar em segmentos em vez de viajar de um lugar para outro. Essa ilusão de imobilidade é o que dá nome às ondas estacionárias.

Ondas sonoras estacionárias possuem nós ou nodos definidos (áreas de pressão mínima) e antinodos ou ventres (áreas de pressão máxima). Os nós de uma onda estacionária são o "coração" da levitação acústica. Para ajudar na visualização, imagine um rio com rochas e correntes. A água está calma em algumas partes do rio e turbulenta em outras. Destroços e espuma se juntam nas porções calmas do rio. Para que um objeto flutuante possa permanecer parado na parte da água que se move rapidamente, seria necessário ancorar esse objeto ou impulsioná-lo contra o fluxo da água. Basicamente, é isso o que a levitação acústica faz, só que, em vez da água, usa um som que se move através de um gás.

A levitação acústica utiliza a pressão do som para permitir que objetos flutuem

Ao colocar um refletor à distância certa de um transdutor, o levitador acústico cria uma onda estacionária. Quando a orientação da onda estiver paralela à força exercida pela gravidade, partes da onda estacionária irão possuir uma pressão constante para baixo e outras terão uma pressão constante para cima. Os nós, por sua vez, possuem pressão muito baixa.

No espaço, onde a gravidade é muito pequena, as partículas flutuantes se juntam nos nós da onda estacionária, que são "calmos" e imóveis. Já na Terra, os objetos se juntam logo abaixo dos nós, onde a pressão de radiação acústica, ou a quantidade de pressão que uma onda sonora pode exercer sobre uma superfície, entra em equilíbrio com a força da gravidade.

Dependendo da influência da gravidade, os objetos pairam em uma área levemente diferente dentro do campo sonoro

É preciso mais do que ondas sonoras comuns para conseguir a quantidade de pressão necessária. Na próxima seção, vamos examinar o que as ondas sonoras de um levitador acústico têm de tão especial.