Som não linear e levitação acústica

Ondas estacionárias comuns podem ser relativamente potentes. Por exemplo, uma onda estacionária em um duto de ar pode fazer com que a poeira se junte em um padrão que corresponde aos nós da onda. Além disso, uma onda estacionária reverberando através de uma sala pode fazer com que os objetos em seu caminho vibrem. E ondas estacionárias de baixa freqüência também podem fazer com que as pessoas se sintam nervosas ou desorientadas.

Mas esses feitos não são nada quando comparados à levitação acústica. É preciso muito menos para influenciar o local onde a poeira vai se acumular ou para quebrar um vidro do que para erguer objetos do solo. Ondas sonoras comuns são limitadas por sua natureza linear. Aumentar a amplitude da onda vai fazer com que o som fique mais alto, mas não vai afetar o formato da onda ou fazê-la ficar mais poderosa fisicamente.

No entanto, sons extremamente intensos, como os que podem fazer nossos ouvidos doerem, costumam ser não lineares. Eles podem causar respostas desproporcionalmente grandes nas substâncias que atravessam. Alguns efeitos não lineares incluem:

• ondas com formas distorcidas
• ondas de choque, como ruídos sônicos
• corrente acústica, que é o fluxo constante do fluido através do qual a onda viaja
• saturação acústica, ou o ponto no qual a matéria não pode mais absorver energia da onda sonora

A acústica não linear é um campo complexo, e o fenômeno físico que causa esses efeitos pode ser difícil de se entender. Porém, no geral, efeitos não lineares podem se combinar para formar um som intenso muito mais potente do que um som mais sereno. E é devido a esses efeitos que a pressão de radiação acústica pode se tornar forte o bastante para se equilibrar com a força da gravidade. O som intenso é uma parte central da levitação acústica - e os transdutores em muitos levitadores produzem sons de mais de 150 decibéis (dB). Para se ter uma idéia, uma conversa comum tem cerca de 60 dB, ao passo que em uma danceteria chega-se a algo em torno de 110 dB.

Outras utilizações para sons não linearesVários procedimentos médicos baseiam-se na acústica não linear. Por exemplo, o exame de ultra-som utiliza efeitos não lineares para permitir que médicos examinem bebês no útero ou órgãos internos. As ondas de alta intensidade do ultra-som também podem pulverizar pedras nos rins, cauterizar ferimentos internos e destruir tumores.

Mas fazer objetos levitarem com o som não é só mirar um transdutor de alta capacidade em um refletor. Os cientistas também devem usar sons da freqüência correta para criar a onda estacionária desejada. Qualquer freqüência pode produzir efeitos não lineares se estiver no volume certo, mas a maioria dos sistemas usa ondas de ultra-som, que não podem ser ouvidas pelo ser humano. E além da freqüência e do volume da onda, os pesquisadores também devem se concentrar outros fatores.

• A distância entre o transdutor e o refletor deve ser um múltiplo da metade do comprimento de onda do som produzido pelo transdutor. Isso produz uma onda com nós e antinodos estáveis, e há ondas capazes de produzir vários nós que podem ser utilizados, embora os que fiquem mais próximos ao transdutor e ao refletor não costumem ser apropriados para levitar objetos. Isso acontece porque as ondas criam uma zona de pressão na região próxima às superfícies refletivas. 
• Em um ambiente de microgravidade, como no espaço, as áreas estáveis dentro dos nós devem ser grandes o suficiente para apoiar o objeto flutuante. Já na Terra, as áreas de alta pressão logo abaixo do nó também devem ser grandes o bastante. Por isso, o tamanho do objeto a ser levitado deve ser de 1/3 à metade do comprimento de onda do som. Objetos maiores do que 2/3 do comprimento de onda do som são grandes demais para levitarem, já que o campo não é grande o bastante para apoiá-los. Quanto maior a freqüência do som, menor o diâmetro dos objetos que ele pode levitar.
• Objetos que tenham o tamanho certo para levitar também devem ter a massa certa, ou seja, os cientistas devem avaliar a densidade do objeto e determinar se a onda sonora é capaz de produzir pressão suficiente para contrapor a força que a gravidade exerce sobre ele.
• Gotas de um líquido que está sendo levitado devem ter um número de Bond apropriado, que é a razão que descreve a tensão superficial, densidade e tamanho de um líquido no contexto da gravidade e do fluido que o rodeia. Se o número de Bond for baixo demais, a gota irá explodir.
• A intensidade do som não deve ser excessiva para a tensão de superfície de gotículas de líquido que estão sendo levitadas. Se o campo sonoro for intenso demais, a gota irá se achatar e explodir.

Pode parecer que é necessário muito trabalho para suspender pequenos objetos a apenas alguns centímetros de uma superfície. Levitar objetos pequenos, ou até animais pequenos, por distâncias curtas também pode parecer algo relativamente inútil. A levitação acústica, porém, possui várias utilizações, tanto no solo como no espaço. 

• A fabricação de equipamentos eletrônicos muito pequenos e de microchips costuma envolver o uso de robôs ou equipamentos complexos. Os levitadores acústicos podem realizar a mesma tarefa por meio da manipulação do som. Por exemplo, materiais fundidos levitados irão resfriar e endurecer gradativamente e, se estiverem em um campo sonoro ajustado corretamente, o objeto sólido resultante será uma esfera perfeita. De maneira semelhante, um campo com a forma correta pode forçar plásticos a se depositarem e endurecerem apenas nas áreas corretas de um microchip.
• Há ainda materiais que são corrosivos ou que reagem com recipientes comuns utilizados durante análises químicas. Os pesquisadores podem suspender esses materiais em um campo acústico para estudá-los sem o risco de os recipientes contaminarem a amostra ou serem destruídos.
• O estudo da física das espumas possui um grande obstáculo: a gravidade. A gravidade puxa o líquido da espuma, fazendo que ela seque e se destrua. Com os campos acústicos, os pesquisadores podem conter a espuma no espaço, sem que haja interferência da gravidade, o que levaria a uma melhor compreensão de como a espuma desempenha certas tarefas, como a limpeza da água do oceano.

Os pesquisadores continuam a desenvolver novas configurações para os sistemas de levitação e novas aplicações para a levitação acústica. Para aprender mais sobre as pesquisas deles, o som e tópicos relacionados, confira os links na página a seguir.

Outras configurações para levitadoresEmbora um levitador com um transdutor e um refletor possa suspender objetos, algumas configurações podem aumentar a estabilidade ou permitir movimentos. Um exemplo disso são os levitadores que possuem três pares de transdutores e refletores, posicionados ao longo dos eixos X, Y e Z. Outros possuem um grande transmissor e um pequeno refletor móvel, permitindo que o objeto suspenso se mova quando o refletor é movido.