La ingeniería acústica ha estudiado con buenos resultados el fenómeno de las ondas estacionarias, las cuales tienen el potencial para contrarrestar la gravedad. En la actualidad, se investiga cómo hacer levitación acústica en entornos cada vez más interesantes, desde la impresión 3D sin contacto hasta la movilización de piezas industriales. A continuación, se describe cómo hacer levitar cosas mediante la ciencia del sonido.
Ramas de la ingeniería:
Cuántas hay, qué hacen y principales funciones de todos los tipos de ingeniería
¿Qué es la levitación acústica y cómo se produce?
La levitación acústica es la capacidad de suspender un objeto o líquido sin contacto a través de la aplicación de ondas ultrasónicas de gran intensidad.
Por el momento, esto se suele conseguir mediante la implementación de una fuente de sonido de alta frecuencia que se encuentra en paralelo con un reflector (como formando una pinza). Cuando las ondas sónicas de iguales características se cruzan se crea algo llamado ondas estacionarias.
Para simplificar un poco este fenómeno podemos decir que los objetos sometidos a levitación acústica quedan “atrapados” entre el paso del sonido.
Siendo más técnicos…
La realidad es que no es el “sonido” lo que atrapa a las pequeñas partículas, sino la presión de las ondas sónicas de alta intensidad.
De hecho, cuando se busca producir este fenómeno, se usan frecuencias ultrasónicas, por lo que los humanos ni siquiera pueden percibir un sonido real mientras el equipo está en funcionamiento.
¿Cómo se forman las ondas sonoras necesarias para este fenómeno?
Para producir las ondas sonoras acústicas necesarias para la levitación de los objetos se requiere que un componente piezoeléctrico reciba una carga, mediante la cual generará las vibraciones en intensidad, frecuencia y longitud de ondas que permitirán la aparición de este fenómeno.
¿Qué es levitar? ¿Es el término apropiado?
Curiosamente, lo es. Levitar es la acción de elevarse en el espacio, sin la intervención de un medio físico (como cuerdas, motores, alas o brazos mecánicos). En este sentido, la levitación se consigue únicamente por ondas o por efectos de campos electromagnéticos.
Limitaciones
Para que un objeto pueda quedar atrapado en medio del flujo de las ondas sónicas es necesario que tanto la fuente como el reflector estén a una distancia específica, la cual debe ser un múltiplo de la longitud de onda.
Estos cálculos no son nada simples, ya que las longitudes de onda dependen de muchas variables, tanto del equipo emisor como del ambiente.
Claro que los científicos han trabajado durante mucho tiempo para “saltarse” muchas de estas reglas, existiendo resultados bastante prometedores que se espera marquen el futuro de esta tecnología emergente.
Otra limitante monumental es el tamaño del objeto en cuestión, el cual debe poseer un radio mucho menor al de la longitud de onda para mantenerse estable dentro del campo acústico.
De no cumplirse la proporción de radio, el objeto comenzará a girar de manera descontrolada, cada vez más rápido hasta salir disparado.
Evolución de la levitación acústica
Desde la antigüedad circulan historias de sofisticadas herramientas que tenían el potencial para mover pesados objetos a través del sonido, trompetas que rompían muros y liras tocadas por dioses capaces de provocar que las rocas les siguieran por dónde fuera.
Nada tan fantástico en la realidad, aunque igual de sorprendente.
El movimiento a través de radiación acústica y levitación propiamente dicha se vinculan al descubrimiento del sonido, siendo los efectos de la radiación sónica evidenciados después, por accidente.
Veamos una aproximación histórica de su desarrollo:
Precursores de la levitación acústica
La primera evidencia conocida del fenómeno de levitación acústica fue llevada a la luz científica gracias al alemán August Kundt, mediante su famoso experimento del tubo de Kundt en 1866.
El científico quería demostrar la existencia de las ondas estacionarias, de la radiación sónica y documentar la velocidad a la que viajaba el sonido en diferentes tipos de gases. Para ello, utilizó un tubo delgado de vidrio, el cual contenía gas y partículas pequeñas, pero visibles.
Al someter el interior de la cámara resonante usando ondas sónicas de alta frecuencia, las partículas se reorganizaban en consecuencia.
Sin querer, buscando medir la velocidad de viaje del sonido en un gas, había realizado la primera demostración de levitación acústica bien documentada.
Los primeros pasos intencionales
Varias décadas más tarde, los científicos alemanes Bücks K. y Müller, H. estudiarían la levitación acústica, llegando a suspender gotas de alcohol, entre un cristal de cuarzo y un reflector, creando ondas estacionarias provocadas con fines de levitación.
Hilary St Clair estudiaría a las fuerzas de radiación acústica, con la intención de crear tecnología capaz de dispersar partículas de polvo en entornos mineros.
Su trabajo publicado en 1949 describe cómo hacer levitar objetos mediante el desarrollo de un equipo electromagnético capaz de producir las ondas necesarias para la levitación, logrando mantener suspendidos objetos tan pesados como una moneda.
Implicación de la NASA
El cuerpo de investigación espacial estadounidense jugó un papel fundamental en el desarrollo de la tecnología acústica, estudiándola por años.
En la década de los 90, motivados por los resultados del equipo dirigido por Taylor Wang, se desarrollaron impresionantes aplicaciones de la radiación acústica como herramienta o mecanismo de contención en entornos de gravedad cero.
Años más tarde, se dirigieron varias investigaciones más en los laboratorios espaciales de la NASA.
Una visión más moderna
Como ya se ha mencionado desde el inicio, en el apartado de limitaciones de la tecnología, los científicos han visto el potencial de esta herramienta y con los años han desarrollado nuevas formas de implementarla.
Los levitadores acústicos modernos suelen tener varios transductores piezoeléctricos en lugar de una sola fuente.
Esto no solo permite controlar diferentes intensidades (que se traducen en movimiento controlado), sino que elimina la necesidad de que las fuentes de las ondas cruzadas tengan que estar a una distancia exacta y muy difícil de calcular.
Tipos de levitación acústica que existen
Dependiendo de la tecnología que se implemente para soportar la levitación de objetos a través de ondas acústica y de la naturaleza de las mismas, nos encontramos con cinco tipos de levitación acústica estudiada hasta ahora:
1. Onda estacionaria
Este es el modo de levitación más conocido, al menos desde la década de los setenta. Cuentan con una fuente de sonido de alta frecuencia e intensidad y un reflector que devuelve una copia de dicha onda, pero en sentido contrario.
En distancias regulares (que dependerán de la longitud de la onda) se crean puntos neutros (nodos) en donde los objetos quedan atrapados por el cruce de radiación acústica.
Sirve para suspender objetos muy pequeños, de escasos milímetros, aunque es bastante estable.
2. Campo cercano
La levitación de campo cercano se da cuando una fuente poderosa de ondas de sonido se ubica debajo de una lámina u objeto plano de gran tamaño.
El objeto plano cumple la función del reflector, devolviendo las ondas sónicas de alta frecuencia. Como producto de esta interacción, el objeto queda levitando apenas de manera perceptible del emisor.
Este medio sirve para levantar objetos bastante pesados (varios kilos) pero el rango o altura de levitación es mínimo. Útil para reducir la fricción entre superficies.
3. Campo cercano invertido
Utilizando objetos cuyo radio se encuentren entre un 37-38% de la longitud de onda del emisor se puede crear un campo cercano invertido.
Esto quiere decir que, en lugar de elevar el objeto en contra de la gravedad, por encima del emisor de sonido, el fenómeno atrae al objeto, manteniéndolo suspendido de cabeza a una distancia de pocos micrómetros.
Los objetos que pueden quedar involucrados en este fenómeno suelen ser bastante ligeros.
4. Campo lejano
En las técnicas de levitación de campo lejano, la longitud de onda se adapta al tamaño y forma del objeto para conseguir los parámetros exactos de suspensión.
Gracias a esta tecnología se pueden levitar objetos no planos más grandes (en dimensiones) que con el resto de desarrollos actuales. Es especialmente útil cuando las piezas en cuestión tienen bajas densidades estructurales.
Con esta aplicación se consigue, además, distancias de levitación considerables, incluso mayores que la longitud de onda.
5. Levitación de un solo haz
La levitación acústica de un solo haz utiliza una especie de trampa de onda con alta presión que crea una especie de “vacío” acústico en el centro.
Los objetos quedan atrapados en la corriente de radiación acústica, algo similar a como sucede con los remolinos de agua. Esto permite romper la concepción clásica de la levitación acústica, levantando objetos más grandes que la longitud de onda.
Aplicaciones de ondas sonoras en levitación
Existen varias aplicaciones para la levitación acústica y unas tantas líneas de interés en desarrollo actualmente.
Las más importantes destacan dentro del entorno científico, de investigación, ensamblaje y manipulación de elementos complejos o delicados. Por ejemplo:
Posicionamiento y fijación en el espacio
En el espacio, todos los objetos están sometidos a entornos de gravedad cero, lo que quiere decir que sin fuerza de gravedad derivan sin dirección fija y no permanecen quietos en su lugar.
Esto es una molestia enorme para los astronautas, sin mencionar un peligro potencial para las misiones espaciales.
Una forma de solucionar esto es utilizar las bases de la levitación acústica para mantener fijado ciertos objetos en su posición, lo que convierte el entorno en un lugar más seguro para los tripulantes, además de que facilita la manipulación de herramientas.
Manipulación de químicos
En la industria farmacéutica se ha hecho posible manipular pequeñas gotas de químicos, los cuales pueden ser cristalizados, mientras están suspendidos, sin ningún tipo de envases o contenedores.
Esto le confiere un altísimo nivel de pureza a los compuestos, ya que no existe contaminación cruzada alguna. No hay contacto.
Los científicos han estado pensando en formas estables de combinar gotas de distintos químicos en el aire para medir las reacciones resultantes cuando no hay de por medio contenedores o contacto con otro tipo de material.
Manipulación de electrónicos
Muchas piezas electrónicas nanométricas son difícil de manipular. Incluso el más mínimo contacto puede cargar y averiar a los componentes.
Se ha aplicado suspensión acústica para mover este tipo de piezas electrónicas con excelentes resultados. Eso sí, aún queda mucho por delante para refinar el funcionamiento del ultrasonido industrial a la perfección.
Aunque, se puede decir, que los resultados obtenidos hasta ahora no harían de extrañar la existencia futura de cosas robóticas en los hogares, equipados con objetos que producen sonidos para mover el polvo u otros elementos.
Como se verá, aún quedan un par de años antes de que la ingeniería acústica traiga consigo dispositivos que funcionen con levitación acústica casera, a bajo coste y fácil de entender para el público. Sin embargo, la solución que plantea una manipulación sin contacto es muy emocionante (cirugías no invasivas, levitación iónica, vuelos humanos, levitación de objetos pesados por acústica…).
