Обзор на тему: «Левитация».
Термин левитация означает способность летать, преодолевая законы гравитации или же это способность человека, предмета сохранять и последовательно изменять своё положение в трёхмерном пространстве вопреки гравитации под действием инициатора левитации, но левитацией не считается полёт, совершаемый за счёт отталкивания от воздуха, как у насекомых или птиц. Для левитации необходимо наличие силы, компенсирующей силу тяжести. Источниками таких сил могут быть струи газа, сильные звуковые колебания, лазерные лучи, электромагнитное поле и т. п.
Для более конкретного понимания данного понятия можно рассмотреть несколько видов получения эффекта невесомости.
Виды левитации:
Магнитная левитация. Технология, метод подъёма объекта с помощью одного только магнитного поля. Здесь магнитное давление используется для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений. В некоторых случаях подъёмная сила обеспечивается магнитной левитацией, но при этом есть механическая поддержка, дающая устойчивость. В этих случаях явление называется псевдолевитация. Магнитная левитация используется в магнитных подшипниках и показе продукции.
Электромагнитная левитация. Принцип работы устройства, демонстрирующего электромагнитную левитацию не так уж сложен. Для того чтобы предмет мог висеть в пространстве, вместо постоянного магнита надо использовать электромагнит, управляемый с помощью электронной схемы таким образом, чтобы металлический предмет как бы парил на некотором расстоянии от электромагнита. Использование электромагнитной левитации лимитируется материалами с высокой электрической проводимостью, она применима только по отношению к магнитным материалам.
Акустическая левитация. Акустическая левитация — устойчивое положение весомого объекта в стоячей акустической волне, где стоячей волной является интерференция волн, распространяющихся в противоположных направлениях, при котором перенос энергии ослаблен или отсутствует. Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, представляют собой потоки молекул, взаимодействуя друг с другом в стоячей акустической волне, они создают разреженные зоны, в которых воздействие гравитации существенно снижается. Именно благодаря этому попадающий в стоячую волну предмет может фактически зависать. Акустическая гравитация является перспективным направлением в технологической сфере.
Оптическая левитация. Уроки левитации демонстрируют, что возможна также и оптическая левитация, достигаемая в связи с силой светового давления. Эта сила, как выяснилось, приводит к изменению распределения энергии внутри электромагнитного поля и в некоторых случаях вызывает частичную левитацию.
Аэродинамическая левитация. Хорошо известна и достаточно просто достигаема на практике аэродинамическая левитация - когда предмет преодолевает воздействие гравитации за счёт давления воздуха. Посредством нагнетания воздушных струй «накачивается» так называемая воздушная подушка, на которой и держится объект. А тут есть два НО: первое, при аэродинамической левитации достаточно трудно достичь уравновешенного полёта; второе, не все согласны считать этот вид настоящей левитацией. Так как подъём тела за счёт направленной струи воздуха ничем не отличается от полёта птицы, потому что крылья птиц или насекомых также отталкиваются от воздуха.
Многие серьезные ученые до недавнего времени отзывались о левитации и антигравитации весьма резко в том духе, что все это «чушь собачья». Сейчас им приходится пересматривать свою позицию. Все началось с того, что в марте 1991 года авторитетный научный журнал «Нейчер» опубликовал сенсационный снимок: директор токийской Исследовательской лаборатории сверхпроводимости восседал на блюде из сверхпроводящего керамического материала, и – между ним и поверхностью пола был отчетливо виден небольшой зазор. Масса директора вместе с блюдом составляла 120 кг, что не мешало им парить над землей. Явление это позднее получило название «эффекта Мейснера». Он состоит в том, что, если над магнитом поместить сверхпроводник, он зависнет в воздухе. А в пространстве над ним возникает зона, в которой, в свою очередь, уменьшается вес помещенных туда предметов, в том числе и живых объектов. Таким образом, исследователям уже удалось «подвесить» в воздухе живых лабораторных мышей и лягушек. Конечно, это еще не левитация в полном смысле слова.
Левитацию, как физическое явление, начали изучать относительно недавно. Но идея некой «антигравитации» появилась ещё средние века, когда люди с помощью шарлатанских трюков или потусторонних сил создавали иллюзию парения над землёй своего тела или других предметов. Далее со временем мысль о «полётах» начала проскакивать в литературных произведениях в области фантастики. Фантасты мечтали о портативных аппаратах размером с рюкзак, которые могли бы «левитировать» человека в нужном ему направлении со значительной скоростью. Всё это было только в виде предположений и мечтаний, но наука взяла своё, и левитация теперь больше не кажется чем-то нереальным, а также повседневно используется в современной технике, оборудовании, транспорте.
Для примера использования человеком левитации можно привести поезд, перемещающийся с помощью магнитной левитации. Впервые идею состава, использующего линейный двигатель, подал (и даже запатентовал) немецкий инженер-изобретатель Альфред Зейн. И было это в 1902 году. После этого разработки электромагнитного подвеса и поезда, оснащенного им, появлялись с завидной регулярностью: в 1906 г. Франклин Скотт Смит предложил еще один прототип, между 1937 и 1941 гг. ряд патентов по этой же теме получил Герман Кемпер, а чуть позже британец Эрик Лэйзвейт создал работающий прототип двигателя в натуральную величину. В 60-х он же участвовал в разработке Tracked Hovercraft, который должен был стать самым скоростным поездом, но так и не стал, поскольку из-за недостаточного финансирования в 1973-м проект был закрыт. Только шесть лет спустя, причем снова в Германии, был построен поезд на магнитной подушке, получивший лицензию на пассажирские перевозки. Испытательный трек, проложенный в Гамбурге, имел длину меньше километра, но сама идея так вдохновила общество, что поезд функционировал и после закрытия выставки, успев за три месяца перевезти 50 тысяч людей. Скорость его, по современным меркам, была не так уж велика – всего 75 км/ч. Не выставочный, а коммерческий маглев (так нарекли поезд, использующий магнит), курсировал между аэропортом Бирмингема и железнодорожной станцией с 1984 г., и продержался на своем посту 11 лет. Длина пути была еще меньше, всего 600 м, а над полотном поезд поднимался на 1,5 см. В дальнейшем ажиотаж по поводу поездов на магнитной подушке в Европе поутих. Зато к концу 90-х ими активно заинтересовалась такая страна высоких технологий как Япония. На ее территории уже проложены несколько довольно протяженных трасс, по которым летают маглевы, использующие такое явление как левитация магнитная. Этой же стране принадлежат и скоростные рекорды, поставленные данными поездами. Последний из них показал скоростной режим более 550 км/ч.
Левитация, то есть бесконтактное преодоление силы притяжения, является одним из активно разрабатываемых направлений исследований современных учёных. Использование данного феномена открывает широкие перспективы для развития технологий и создания более совершенных технических средств. Наибольшего прогресса на сегодняшний день исследователям и инженерам позволяет добиться магнитная левитация. Именно на ней основаны такие современные технологические нововведения, как поезда на магнитной «подушке». Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решает серьезную проблему износа исходного материала. Как известно, классические подшипники истираются довольно быстро – они постоянно испытывают высокие механические нагрузки. В некоторых областях необходимость замены этих деталей обозначает не только дополнительные расходы, но и высокий риск для людей, которые обслуживают механизм. Магнитные подшипники сохраняют работоспособность во много раз дольше, так что их применение весьма целесообразно для любых экстремальных условий. В частности, в атомной энергетике, ветровых технологиях либо отраслях, сопровождаемых чрезвычайно низкими или высокими температурами.
Но ведь не механизм идеален. У левитации и приборов, которые используются для её достижения, тоже есть свои минусы. Магнитный и электростатический методы левитации в ближайшем будущем, скорее всего, несколько уступят свои позиции, поскольку их сложно применять по отношению ко всем видам материалов. Кроме того они обычно требуют наличия систем автоматического контроля и регулирования. Оптическая левитация ограничивается очень маленькими и относительно прозрачными частицами в прозрачной окружающей среде. Ясно, что ограничения по характеру частиц и окружающей среде пока что делают неприемлемым ее использование по отношению к современным микросборкам. Остается выбор между аэродинамической левитацией и ультразвуковой акустической левитацией. Но, аэродинамическая левитация, к сожалению, «дарит» нам плохую поперечную стабильность и требует сложного исполнения, поскольку нуждается во внешнем источнике сжатого воздуха. Ультразвуковая акустическая левитация пока еще не получила такого широкого практического использования, как метод, в основе которого лежит уравнение Бернулли. Левитация с использованием стоячей волны более предпочтительна для захвата, ориентации, позиционирования и отпускания небольших изделий различной формы. Левитация в ближнем поле больше подходит для управления движением и транспорта плоских изделий.
В итоге напрашивается другой вывод – нет в мире совершенства. Хотя, к совершенству можно все-таки немного приблизиться. Магистральное направление в области технической левитации скорее всего скрывается за словом «комбинаторика». В результате удачного объединения двух или более альтернативных систем, как правило, появляются новые технические решения, сочетающие достоинства и исключающие недостатки их составляющих. Об этом говорит история развития техники вообще, а не только в области микроэлектроники.
.
