3D-левитрон – установка для создания стоячих звуковых волн

Актуальность

Для того чтобы использовать на практике эффект левитации, необходимо создать систему, которая позволяла бы более надёжно удерживать объект в пространстве. Авторы 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 в работе

• Плата Arduino Uno

• Драйвер моторов MX1508

• Программа Fusion 360

• Ультразвуковые излучатели

• 3D-принтер

Описание

Работа 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.

Электронная схема первой установки состоит из платы Arduino Uno, драйвера моторов MX1508 и двух звукогенераторов (далее будем называть их излучателями), лабораторного источника питания Element 305DB. Частота ультразвукового излучателя – 40 кГц. В работе использовали напряжение питания 18 В.

Плата Arduino Uno выполняла роль генератора электрических импульсов заданной частоты. Эти импульсы далее подавались на драйвер моторов, который управлял подачей внешнего напряжения на излучатели. На плату Arduino Uno записывался код.

Чтобы создать стоячую волну, расположили излучатели вертикально на расстоянии, кратном длине звуковой волны. Для этого перемещали один из излучателей, пока не появятся узлы.

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

Результаты

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.

Перспективы использования результатов работы

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

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 «Инженеры будущего» 2021 года – победитель.

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

Мнение автора

«Третий раз участвую в конференции «Наука для жизни». Очень интересно видеть, чем занимаются другие, и находить стимулы к дальнейшим исследованиям. Проект «Академический класс» помогает развиваться нашей школе, находить интересные возможности для сотрудничества с научными организациями. Для нас, школьников, это возможность больше узнать о будущей профессии»