Автор: Акбашев Илья Ильгизович
Возраст: 16 лет
Место учебы: филиал ФГБОУ ВО «УГАТУ» в г. Ишимбае
Город, регион: г. Ишимбай, Респ. Башкортостан
Руководитель: Ишмуратов Тимур Ахмадеевич, доцент кафедры ГиЕНД филиал ФГБОУ ВО «УГАТУ» в г. Ишимбае

Левитация

Содержание:

Введение
Способы левитации
Эксперимент
Заключение

Введение

В детстве, наверное, каждый из нас хотел научиться летать. Но мечта у нас так и не осуществилась. Наверное, потому что мы не знали закона всемирного тяготения.    

Но, оказывается, уже есть технологии, способные создать левитацию тела над опорой. И в этом направлении активно работают современные учёные. Использование левитации открывает широкие перспективы для развития технологий и создания более совершенных технических средств. Наибольшего успеха на сегодняшний день исследователи и инженеры добились в изучении магнитной левитации. Именно на ней основано такое экологичное и современное средство передвижения, как поезд на магнитной «подушке».

Так что же такое левитация? Левитация – это когда тело парит в пространстве не касаясь опоры, т.е. преодолевает гравитацию.

Всем известно, что тела притягиваются друг к другу. Сила притяжения зависит от массы тел. Поэтому мы ощущаем притяжение к Земле и не ощущаем притяжение друг к другу, потому что масса Земли примерно равна шесть септиллион килограмм.

Поэтому чтобы тело смогло левитировать над опорой, необходимо преодолеть притяжение Земли. Для этого существуют различные способы левитации. Поэтому целью моей работы является исследования левитации и создание установки для наблюдения этого явления.

Задачи работы:

1. Рассмотреть различные способы левитации тел.
2. Выяснить преимущества и недостатки этих способов.
3. Сделать устройство, позволяющее из выбранного способа наблюдать левитацию.
4. Сделать выводы.

Способы левитации

Для преодоления сил гравитации используют силы негравитационного происхождения. В связи с этим левитацию можно разделить на виды в зависимости от различных сил, используемые для преодоления силы притяжения.

Акустическая левитация

Акустическая левитация – устойчивое положение весомого объекта в стоячей акустической волне. Данный метод основан на действии звука к малым телам.

Максимальный вес, который поднимали таким образом, не превышает нескольких граммов, причем звуковые волны могут находиться и вне слышимого диапазона. Проблема левитации здесь упирается в размеры тел. Для того, чтобы тело левитировало, его размеры должны иметь такой же порядок, что и длина волны звуковых волн. Иначе, если размеры объекта значительно превосходят длину волны звука, он выходит за область разности давлений и не может удерживаться им. Поэтому про левитацию человека здесь речи быть не может.

Явление акустической левитации не несет никакой полезной функции, т.е. про левитацию человека здесь речи быть не может, однако имеет некоторое применение. Например, изготовление деталей для электроники. Парящий в воздухе материал способен равномерно остыть и под действием внутренней силы тяжести принять форму идеального шара. Также определенной формы и интенсивности волна способна наносить микроэлементы точно в определенных местах радиодетали.

Электростатическая левитация

Электростатическая левитация происходит за счёт отталкивания одинаковых зарядов. В отличие от акустической левитации, электростатическая левитация бесшумна и позволяет поднимать грузы порядка нескольких килограмм, однако электростатический заряд может вызывать очень даже неприятные болевые ощущения для человека.

Электростатическая левитация довольно успешно развивается на исследовательском уровне. Преимущество этого метода заключается в том, что расстояние между левитирующим телом и поверхностью очень маленькое, что позволяет создавать нулевое давление на поверхность. Поэтому эксклюзивной областью его применения является транспортировка очень тонких пластин, например, тонких стеклянных панелей.

Оптическая левитация

Оптическая левитация – преодоление гравитации за счет светового давления. До недавнего времени считалось, что малое световое давление (~ 10 мкПа) не сможет оказать никакого влияния на тела. С появлением лазеров ситуация коренным образом изменилась. Мощный лазер может удерживать в воздухе частицу воды или масла диаметром порядка 50 микрометров. Преимуществом данной левитации является ее применение на большие расстояния. Используя данный способ группа ученых во главе со знаменитым физиком и популяризатором науки Стивеном Хокингом поставила амбициозную задачу – полет к альфе Центавра. В их планах – запустить к ближайшей от Земли к звезде, альфе Центавра, группу наноспутников весом в несколько граммов. Движимые лазерными парусами, они разовьют скорость в 60 тысяч километров в секунду, что всего в 5 раз меньше скорости света.

Аэродинамическая левитация

При использовании данного метода предмет левитирует за счет восходящих потоков воздуха, которые уравновешивают силу тяжести.

Этот вид левитации используется в транспорте на воздушной «подушке» (катера, проекты автомобилей) и даже в развлечениях (аэрохоккей).

В этом случае размеры и формы тела могут быть любые, а масса тела лежит в довольно широких пределах. Недостатком такого метода является отсутствие стабильности горизонтального положения тела вследствие турбулентности потока.

Например, на этом способе левитации был сконструирован и построен десантный корабль "Зубр". Это самый большой советский корабль на воздушной подушке. С помощью левитации корабль может десантировать пехоту и боевую технику даже на необорудованный берег или мель, тогда как другие корабли на это не способны. Если нужно укрыться, то корабль с моря, может пройтись по суше и укрыться в лесу. Корабль даже может преодолеть минные поля, двигаться по болотам и высаживать десант в глубине обороны противника.

Квантовая левитация

Суть квантовой левитации состоит в том, что благодаря правильному использованию физических свойств сверхпроводников их возможно не просто удержать в воздухе, но и заставить двигаться над и даже под магнитными «рельсами».

Сверхпроводимость, на мой взгляд, очень интересная особенность некоторых веществ. Основная их отрицательная черта – низкая температура перехода в сверхпроводящее состояние. Но я уверен, что ученые скоро преодолеют этот недостаток, и тогда новые технологии, обязательно, изменят нашу жизнь к лучшему!

Данная левитация является наиболее перспективной по сравнению с остальными, т.к. область применения квантовой левитации, огромная: например, покрытие сверхпроводящим веществом взлётно-посадочной полосы аэродрома позволит использовать гораздо меньше места для строительства аэропортов. Ведь самолёт сможет разгоняться до нужной скорости намного быстрее, когда исчезнет трение шасси о землю. Так как при взлёте самолёт тратит больше топлива, чем за час полёта, такая технология была бы более экологичной.

Покрытие автодорог позволит передвигаться по ним как обычным автомобилям, так и экологичным маглев-мобилям. Маглев-мобиль – это не только отсутствие трения, но и вредных выбросов, а также необходимости менять резину и утилизировать старую.

Однако сверхпроводник при комнатной температуре пока ещё не найден и его поиски продолжаются. Например, в фильме «Аватар» люди на вымышленной планете «Пандора» добывали вещество, находящееся в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре.

Магнитная левитация

Магнитная левитация – это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации силы притяжения используется магнитное действие на объект.

Есть вещества, которые намагничиваются как железные гвозди, но только их магнитное поле направлено противоположно внешнему магнитному полю. Такие вещества называются диамагнетики. Однако их сила отталкивания настолько слаба, что над магнитом может удержаться диамагнетик массой в несколько грамм. Другой способ магнитной левитации заключается в удержании магнита в «магнитной ловушке», т.е. когда над магнитом или электромагнитом располагается другой магнит и за счет одноименно направленных полюсов они отталкиваются. Поскольку данная левитация не стабильна, применяют электронную схему, которая включает дополнительные электромагниты, расположенные по краям основного магнита для выравнивая левитирующего магнита.

Эксперимент

В домашних условиях проще всего сделать магнитную левитацию. Для этого я приобрел пиролитический графит. На данный момент – это лучший диамагнетик. В качестве магнитных полей, я использовал дорожку от ниодимовых магнитов.

Понаблюдав я обнаружил, что левитация на магнитах, создающие сильные магнитные поля очень слабая. Расстояние между графитом и магнитами очень маленькая. Не говоря уже о массе левитирующего графита. Поэтому данную диамагнитную левитацию можно использовать в игрушках или сувенирах. Для техники и технологических процессов она очень слаба.

Преимущества:

• Не требует затрат энергии.
• Может быть выполнена в домашних условиях.
• Выглядит эффектно.

Недостатки:

• Магнитная левитация очень слабая.
• Масса левитируемого объекта очень маленькая.
• Стоимость материалов высокая.

Для следующего эксперимента мне пришлось сделать установку. Она позволяет наблюдать левитацию магнита в переменном магнитном поле. Установка состоит из катушки, служащая электромагнитом, в центр которого помещен датчик. Данный датчик будет фиксировать наличие магнитного поля заданного направления. По катушке протекает ток, создающий магнитное поле. Если под катушку поместить небольшой магнит, то он начнет притягиваться к катушке. При приближении к катушке, датчик зафиксирует противоположное направленное магнитное поле и передает сигнал транзистору, работающего как ключ, на выключения тока в катушке. Магнитное поле пропадает и магнит начинает падать вниз.

Как только поле постоянного магнита исчезает из зоны действия датчика, он тут же дает сигнал транзистору, который вновь включает электромагнит и снова притягивает его к себе. Эти все падения и притяжения повторяются несколько сотен раз в секунду, поэтому для человека они не видны и кажется, что магнит висит в воздухе неподвижно, т.е. левитирует.

Преимущества:

• Наглядная демонстрация по левитации небольших тел, в которых спрятан магнит.
• Может быть выполнена в домашних условиях.
• Выглядит эффектно и магически.
• Изготовить установку можно из подручных материалов, либо стоимость некоторых компонентов маленькая.

Недостатки:

• Сборка установки трудна без знаний основ электротехники.
• Использует источник питания.

Заключение

Я убедился, что левитация – это не сказка, а реальность и парить над опорой можно. На мой взгляд из всех изученных мною способов левитации квантовая и магнитная являются наиболее перспективными, т.к. первая может открыть новую технологическую эру, а вторая – массовое внедрение в производственные технологии, кроме того она пока единственно реализованная в крупном проекте.

Безусловно, работа в области левитации будет развиваться и дальше. Ученые до сих пор ищут «тот самый» сверхпроводник при комнатной температуре, который может изменить наш мир.

В своих экспериментах я увидел, что диамагнетики над магнитами левитируют, хотя и слабо. Но если подумать, то вода тоже диамагнетик, а мы на 80 % из нее состоим. Поэтому если нас поместить в сильное магнитное поле, то согласно результатам экперимента и мы будем левитировать. Графит ведь левитировал.

Источники информации

1. Википедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа здесь.
2. Мартыненко Ю. Г. О проблемах левитации тел в силовых полях / Ю.Г. Мартыненко // Образовательный журнал. – 1996. – № 3.
3. Вулфорд Д. Квантовая левитация сражает наповал [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2011/kvantovaya-levitatsiya-srazhaet-napoval.
4. Потехин В. СВЕРХПРОВОДНИКИ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/sverhprovodniki/.
5. Журавлев Ю. Активные магнитные подшипники. Теория, расчет, применение / Ю. Журавлев. – СПб.: Политехника, 2003. – 206 с.
6. Электросам.Ру. Магнитная левитация. Виды и работа. Применение и особенности [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/magnitnaia-levitatsiia/.