Levitação Acústica no Laboratório de Física!
Este experimento consistiu em fazer algumas bolinhas de isopor levitarem usando ondas sonoras. Para fazer as bolinhas levitarem foi necessário utilizar um par de transdutores piezoelétricos capazes de vibrar em uma frequência ultrassônica, com o propósito de gerar as ondas sonoras (como se fossem pequenos alto-falantes) por meio de estímulos elétricos com frequência da ordem de 40 kHz.
Os transdutores foram alinhados em um mesmo eixo, e de maneira a ficarem contra-propagantes (um de frente para o outro), permitindo que desta forma, quando acionados, uma onda estacionária longitudinal seja formada no espaço entre os transdutores. Uma onda estacionária é formada quando as oscilações geradas pelos transdutores propagam-se pelo ar e se combinam em um padrão de interferência que permite a observação de um “congelamento” da onda resultante (para o caso de uma onda estacionária em uma corda, observa-se que os picos e os nós não se deslocam ao longo da corda [1]). A formação de uma onda estacionária entre os transdutores promove várias regiões estáveis e sucessivas de alta e baixa pressão de ar ao longo do eixo de alinhamento (as zonas de alta pressão são as regiões onde há acúmulo de ar, e as zonas de baixa pressão são as regiões onde o ar torna-se rarefeito).
Figura 1 – Demonstração de levitação acústica por ultrassom onde é possível visualizar as zonas de alta e baixa pressão de ar. É possível notar a formação de uma onda estacionária tendo em vista que as camadas permanecem estáveis em suas posições.
A Figura 1, por meio de uma técnica conhecida com fotografia de Schlieren [2], mostra um experimento onde é possível observar as zonas de alta e baixa pressão de ar. As bolinhas ficam suspensas no ar e armadilhadas nas zonas de alta pressão (equivalem aos nós de uma onda estacionária em uma corda, conforme Figura 2).
Figura 2 – Esquema ilustrativo que faz analogia entre a onda estacionária formada entre os transdutores e uma onda estacionária em uma corda.
O vídeo abaixo apresenta o experimento realizado no laboratório utilizando os equipamentos disponíveis para as disciplinas de física.
Referências:
[1] HALLIDAY, D.; RESNICK, R. & WALKER, J. Fundamentos de Física Vol. 2; Editora LTC, Rio de Janeiro, 2009.
[2] Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations; “Ultrasonic Levitation”; 2017; https://www.youtube.com/watch?v=XpNbyfxxkWE.