Левитация (от лат. levitas , букв. « легкость » ) [1] — процесс, посредством которого объект удерживается в воздухе в устойчивом положении без механической поддержки посредством какого-либо физического контакта.
Левитация достигается путем создания направленной вверх силы , которая противодействует силе тяжести (по отношению к силе тяжести на Земле), а также меньшей стабилизирующей силы, которая толкает объект к исходному положению, когда он находится на небольшом расстоянии от этого исходного положения. Сила может быть фундаментальной силой, такой как магнитная или электростатическая, или это может быть реактивная сила, такая как оптическая, плавучая, аэродинамическая или гидродинамическая. [ необходима цитата ] Левитация исключает плавание на поверхности жидкости, поскольку жидкость обеспечивает прямую механическую поддержку. Левитация исключает парящий полет насекомых, колибри, вертолетов, ракет и воздушных шаров, поскольку объект обеспечивает свою собственную силу противодействия гравитации. [ необходима цитата ]
Левитация (на Земле или любом планетоиде) требует направленной вверх силы, которая компенсирует вес объекта, так что объект не падает (ускоряется вниз) или не поднимается (ускоряется вверх). Для позиционной устойчивости любое небольшое смещение левитирующего объекта должно приводить к небольшому изменению силы в противоположном направлении. [ требуется цитата ] небольшие изменения силы могут быть достигнуты градиентным полем(ями) или активным регулированием. Если объект возмущен, он может колебаться вокруг своего конечного положения, но его движение в конечном итоге уменьшается до нуля из-за эффектов затухания . (В турбулентном потоке объект может колебаться бесконечно.) [ требуется цитата ]
Методы левитации являются полезными инструментами в физических исследованиях. Например, методы левитации полезны для изучения свойств расплава при высоких температурах, поскольку они устраняют проблему реакции с контейнерами и позволяют глубоко переохлаждаться расплавам. Условия без контейнеров могут быть получены путем противодействия гравитации силой левитации вместо того, чтобы позволять всему эксперименту свободно падать. [2]
Магнитная левитация — наиболее часто встречающаяся и используемая форма левитации. Эта форма левитации происходит, когда объект подвешивается с помощью магнитных полей.
Диамагнитные материалы обычно используются для демонстрационных целей. В этом случае возвращающая сила возникает из-за взаимодействия с экранирующими токами . Например, сверхпроводящий образец, который можно рассматривать как идеальный диамагнетик или идеально твердый сверхпроводник , легко левитирует в окружающем внешнем магнитном поле. Сверхпроводник охлаждается жидким азотом, чтобы левитировать на вершине магнита, становясь сверхдиамагнитным. В мощном магнитном поле, использующем диамагнитную левитацию , левитировали даже небольшие живые животные.
Пиролитический графит можно поднять в воздух, поместив его тонкие квадраты над четырьмя кубическими магнитами, северные полюса которых образуют одну диагональ, а южные полюса — другую диагональ. [3] Исследователи даже успешно подняли в воздух (немагнитные) капли жидкости, окруженные парамагнитными жидкостями. [4] Процесс такой обратной магнитной левитации обычно называют эффектом Магнето-Архимеда.
Магнитная левитация находится в разработке для использования в транспортных системах. Например, Maglev включает поезда, которые левитируют с помощью большого количества магнитов. Из-за отсутствия трения на направляющих рельсах они быстрее, тише и плавнее, чем колесные системы общественного транспорта.
Электродинамическая подвеска использует переменные магнитные поля.
В электростатической левитации электрическое поле используется для противодействия гравитационной силе. Некоторые пауки выстреливают шелком в воздух, чтобы оседлать электрическое поле Земли.
В аэродинамической левитации левитация достигается путем парения объекта в потоке газа, который либо создается объектом, либо действует на объект. Например, шарик для пинг-понга может левитировать с помощью потока воздуха из пылесоса, установленного на «выдув» — используя эффект Коанда , который удерживает его в устойчивом положении в воздушном потоке. При достаточной тяге с помощью этого метода можно левитировать очень большие объекты.
Эта техника позволяет левитировать объект против силы гравитации , плавая на тонкой газовой пленке, образованной потоком газа через пористую мембрану. Используя эту технику, высокотемпературные расплавы могут быть чистыми от загрязнений и переохлажденными. [2] Распространенным примером в общем использовании является воздушный хоккей , где шайба поднимается тонким слоем воздуха. Суда на воздушной подушке также используют эту технику, создавая большую область воздуха высокого давления под собой.
Акустическая левитация использует звуковые волны для создания левитирующей силы.
Оптическая левитация — это метод, при котором материал поднимается вверх против направленной вниз силы тяжести с помощью направленной вверх силы, возникающей в результате передачи импульса фотона ( давления излучения ).
Газы под высоким давлением могут иметь плотность, превышающую плотность некоторых твердых тел. Таким образом, их можно использовать для левитации твердых объектов с помощью плавучести . [5] Благородные газы предпочтительны из-за их нереактивности. Ксенон является самым плотным нерадиоактивным благородным газом, его плотность составляет 5,894 г/л. Ксенон использовался для левитации полиэтилена при давлении 154 атм.
Ученые открыли способ левитации сверхмалых объектов путем манипулирования силой Казимира , которая обычно заставляет объекты слипаться из-за сил, предсказываемых квантовой теорией поля . Однако это возможно только для микрообъектов. [6] [7]
Магнитная левитация используется для подвешивания поездов без касания пути. Это позволяет развивать очень высокие скорости и значительно снижает требования к техническому обслуживанию путей и транспортных средств, поскольку происходит небольшой износ. Это также означает отсутствие трения, поэтому единственная сила, действующая против него, — это сопротивление воздуха.
Ученые подняли в воздух лягушек, [8] кузнечиков и мышей с помощью мощных электромагнитов, использующих сверхпроводники, производящих диамагнитное отталкивание воды в организме. Сначала мыши вели себя растерянно, но приспособились к левитации примерно через четыре часа, не испытывая никаких немедленных болезненных эффектов. [9] [10]
Словарное определение левитации (физика) в Викисловаре