Проекты

3D-левитрон. Установка для создания стоячих звуковых волн

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1502
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Для того чтобы использовать на практике эффект левитации, необходимо создать систему, которая позволяла бы более надёжно удерживать объект в пространстве. Мы предположили возможность реализации установки, используя наложение стоячих звуковых волн, действующих по трём взаимно перпендикулярным направлениям. Подобная установка позволит создать особые условия для проведения экспериментов без контакта с поддерживающей опорой, что может быть востребовано при исследованиях в области химии и биологии.

Цель

Создание 3D-левитрона – установки, позволяющей удерживать малые объекты в пространстве без контакта с опорой за счёт стоячих звуковых волн, излучаемых в трёх взаимно перпендикулярных направлениях.

Задачи

  1. Изучить теоретические аспекты создания стоячих звуковых волн, а также экспериментальные способы демонстрации стоячих звуковых волн.
  2. Провести эксперименты с двумя ультразвуковыми излучателями, расположенными на вертикальной оси для определения физических параметров создаваемой установки.
  3. Разработать несущий каркас для шести ультразвуковых излучателей и распечатать его на 3D-принтере.
  4. Произвести сборку 3D-левитрона и провести тестирование его работоспособности.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Плата Arduino Uno, которая выполняла функцию генератора импульсов
  • Драйвер моторов MX1508
  • Шесть ультразвуковых излучателей
  • Персональный компьютер с установленным на нём ПО (Fusion 360)
  • 3D-принтер

Описание

Исходя из поставленной задачи, нам необходимо было экспериментально доказать, что возможно реализовать на практике идею 3D-левитрона, когда звуковая стоячая волна, созданная по трём взаимно перпендикулярным направлениям, надёжно удерживает левитирующий объект, при этом сам аппарат можно поворачивать, перемещать и т.д.

Работа была проведена в два этапа:

на первом этапе создана установка из двух ультразвуковых излучателей, был налажен необходимый генератор электрических импульсов и собраны необходимые данные для конструирования 3D-левитрона;

на втором этапе была спроектирована несущая конструкция 3D-левитрона, осуществлена его сборка и проверена работоспособность.

Результаты работы/выводы

В результате исследований подтверждена возможность наложения трёх взаимно перпендикулярных волн и создания установки, позволяющей надёжно удерживать малые объекты в состоянии левитации, при этом левитрон можно свободно вращать во всех направлениях.

Установку можно использовать для демонстрации и изучения стоячих звуковых волн и создания условий для проведения экспериментов без контакта с поддерживающей опорой.

Перспективы использования результатов работы

В перспективе необходимо произвести подбор технологических параметров установки (частоты (длины волны) ультразвукового излучения, мощности излучателей) в зависимости от сферы применения 3D-левитрона.

Интересным представляется изучение возможности использования установки для проведения химических реакций в инертной среде.

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

XXX Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал» – победитель.

Конференция «Курчатовский проект — от знаний к практике, от практики к результату» 2021 года – призёр.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Первый раз участвую в конференции «Инженеры будущего». Производит колоссальное впечатление количество и качество представленных работ. Очень интересно видеть, чем занимаются другие, и находить стимулы к дальнейшим исследованиям»