Revista Electrónica de Daganzo
INTRODUCCION:
CuentalamitologíaqueIcaroysupadre,Dédalo,estabanprisionerosenlaisladeCreta.Para intentarhuirIcarosalióvolandoconunasalaspegadasasucuerpoconcera,peroalacercarseen excesoalSol,ignorandolosprudentesconsejosdesupadre, Icaroperdiósusalasalfundirsela cera,ycayóalMarEgeo.
Elserhumanosiemprehatenidolanecesidaddevolar,envidiamoselvuelodelospájarosyesa libertaddepodertrasladarseacualquierpartesintenerquedesplazarseporelsuelo.Grandes inventoscomolosaerostatos,laaviaciónyposteriormenteloscohetesnoshanpermitidovencera lagravedad,perodebemosconfiarenquelamentehumanapuedaconcebirnuevosdesarrollosque nospermitanmovernosencualquieradelastresdimensiones.
Bibliografía:
Textos e imágenes de Google ydeWikipedia
Portada: Mundo futuro
Wikipedia: Levitaciónacústica
Popular Electronics, mayo de 1996, Levitador magnético
Sedenominalevitaciónalefectoporelqueuncuerpouobjetosehallaensuspensiónsinmediación deotroobjetofísicoencontactoconelprimeroquesustentealquelevitao"flota",todoellobajo efectosdelagravedad;otambiénelfenómenonoordinarioqueconsisteenqueuncuerpose levantesobrelatierra,manteniéndoseenelairesinapoyonatural.Esdecirlapersonasequeda suspendidaenelairesinningunaayudadeuntercero.
Existen(demomento)variastecnologíasparalograrlalevitación,intentarémostrarlasmás sencillassinocuparmedelatecnologíaquepermitelevitaralosglobosypasandounpocoporaltola tecnologíadelaaviaciónyloscohetes.
Lalevitaciónacústicaesunfenómenofísiconolinealrelacionadoconlasondasacústicas.Setrata deunmétodoparasuspendermateriaenelairecontralagravedadutilizandopresiónderadiación acústicadeondasdesonidodealtaintensidad(delordende155dB).Sonesasondasacústicaslas quelogranmanteneralobjetosuspendidoenelairesinnecesidaddecontacto,poresola denominación:levitación.
Normalmenteseutilizanondassonorasafrecuenciasultrasónicasporloquenocreaningúnsonido audibleparaloshumanos.Estosedebeprincipalmentealaaltaintensidaddesonidonecesariapara contrarrestarlagravedad.Encambio,hahabidocasosdeusodefrecuenciasaudibles. Existen variastécnicasparagenerarelsonido,perolamáscomúneselusodetransductores piezoeléctricos,quepuedengenerardemaneraeficientesalidasdealtaamplitudenlasfrecuencias deseadas.
Aunqueoriginalmenteestática,lalevitaciónacústicahaprogresadodelalevitacióninmóvilal controldinámicodeobjetosflotantes,unahabilidadútilenlasindustriasfarmacéuticay electrónica.Estoserealizóporprimeravezconunprototipoconunamatrizdeemisoresacústicos cuadradosenformadetablerodeajedrezquemovíanunobjetodeuncuadradoaotrobajando lentamentelaintensidaddelsonidoemitidodesdeuncuadradomientrasaumentabalaintensidad delsonidodelotro,permitíanasíqueelobjetoviajaravirtualmente"cuestaabajo".Más recientemente,eldesarrollodeplacasdetransductoresdematrizenfasehapermitidouncontrol dinámicomásarbitrariodemúltiplespartículasypequeñasgotasalavez.
Historiadellevitadoracústico
Araízdelademostracióndelmovimientodelaspartículasdebidoalaaccióndefuerzasacústicas, seplanteólaposibilidaddelalevitaciónacústica.Estademostraciónserealizóen1866conlos experimentosdeltubodeKundt.
Enelprocesoseaplicabaciertapresiónacústicadentrodeunacámararesonanteconpartículasen suinteriorconelobjetivodecrearunaondaestacionaria,demodoque,debidoalaaccióndeesta presión,laspartículassereunieranenlosnodos.Sinembargo,elorigendelexperimentoconsistía enlaposibilidaddemedirlalongituddeondaparademostrarlavariacióndelavelocidadde propagacióndelsonidoenungasynosecentrabaenlaposibilidaddelevitarobjetosmediante presiónacústica.
UntubodeKundtactualconstadeuntuboconunaescalamétricaparamedirdistancias,conelque sepuedenestudiarlasondascontra-propagantesgeneradasensuinterior.Enunodelosextremos deltuboseencuentranunmicrófonoyunaltavoz,conectadoaungeneradordefunciones,que emiteondassonorasaunadeterminadafrecuencia.Porelotroextremoseintroduceunpistón móvilquesedeslizaporelinteriordeltubodeKundt.Elmicrófonorecogeelnivelsonoroexistente enelextremodondeseencuentraubicado.
LaprimeralevitaciónfuedemostradaporBücksyMulleren1933,quieneslevitarongotasde alcoholentreuncristaldecuarzoyunreflector.
ElsiguienteavanceprovinodeHilaryStClair,quienestabainteresadaenlasfuerzasderadiación acústicaprincipalmenteparasusaplicacionesenlaaglomeracióndepartículasdepolvoparasuuso enaplicacionesmineras.Creóelprimerdispositivoelectromagnéticoparaproducirlasamplitudes deexcitaciónnecesariasparalalevitaciónyluegopasóalevitarobjetosmásgrandesypesados, incluidaunamoneda.
TaylorWangfueellíderdeunequipoquehizounusosignificativodelasfuerzasderadiación acústicacomomecanismodecontenciónengravedadcero,llevandoundispositivoalamisiónSpace ShuttleChallengerparainvestigarelcomportamientodelasgotaslevitadasenmicrogravedad.En 1992sellevaronacabomásexperimentosabordodelLaboratoriodemicrogravedaddeEstados Unidos(USML-1),yen1995abordodelUSML-2.
Ellevitadormáscomúndealmenosladécadade1970estabacompuestoporunactuador piezoeléctrico,untransmisormetálicoyunreflector.
Sinembargo,estorequeríaunajusteprecisodeladistanciaentreeltransmisoryelreflector,ya queladistanciaentrelafuenteyelreflectordebíaserunmúltiploexactodelalongituddeonda. Estoesmásdifícildeloqueparece,yaquelalongituddeondavaríaconlavelocidaddelsonido,que varíaconfactoresambientalescomolatemperaturaylaaltitud.
Sehanrealizadoestudiosimportantesconestosdispositivos,incluidalaquímicasincontactoyla levitacióndeanimalespequeños. Variosdeestostambiénsecombinaronparacrearunmovimiento planocontinuoalreducirlaintensidaddelsonidodeunafuenteyalmismotiempoaumentarladela fuenteadyacente,permitiendoquelapartículaviaje"cuestaabajo"enelcampodepotencial acústico.
Recientementesehavueltomáscomúnunanuevageneracióndelevitadoresacústicosqueemplean unagrancantidaddepequeñostransductorespiezoeléctricosindividuales.
LasdiferenciasclaveconLangevinHorneranelusodefuentestantodesdearribacomodesde abajo(enlugardefuenteyunreflector)yelusodeunagrancantidaddepequeñostransductores conexcitaciónparalela,enlugardeunsoloelementopiezoeléctrico.
Elusodedosondasviajerasopuestas,enlugardeunasolafuenteyunreflector,significabaquela levitaciónaúneraposibleinclusocuandoladistanciaentrelapartesuperioreinferiornoeraun múltiploprecisodelalongituddeonda.Estollevóaunsistemamásrobustoquenorequiereningún ajusteantesdelaoperación.
ConayudadelmicrocomputadorArduino podemosdeformamuysimpleponeren marchaunpequeñoslevitadoracústico.
Estenuevoenfoquetambiéncondujoadesarrollossignificativosutilizandotransductores ultrasónicosdematrizenfase(amenudodenominadosPAT)paralevitación.
Estostransductoressonunacoleccióndealtavocesultrasónicosquesecontrolanparacrearun únicocampodesonidodeseado.Estoselogracontrolandolafase(ondas)relativa(esdecir,el tiempoderetardo)entrecadasaliday,aveces,tambiénlasmagnitudesrelativasdesalida.A diferenciadesuscontrapartesenloscamposdepruebasultrasónicasnodestructivas,estas matricesutilizaránunasalidacontinua,enlugardebrevesráfagasdeenergía.Estohapermitidola unilateralidad,asícomolamanipulacióndeungrannúmerodepartículassimultáneamente.
Otroenfoquequeestácreciendoenpopularidadeselusodecomponentesimpresosen3Dpara aplicarlosretrasosdefasenecesariosparalalevitación,creandounefectosimilaralosPATpero conlaventajadequepuedentenerunaresoluciónespacialmásaltaquelamatrizenfase,loque permitemáscamposcomplejosaformar.
Lalevitaciónacústicasehaestudiadoutilizandoradiacióntransmitidaporelaireprocedentedeun transductordeferritamagnetoestrictivodealtapotenciaconunafrecuenciade18kHz.BajoIG sehicieronlevitarobjetossólidosesféricos,asícomogotaslíquidasdediferentespesosyradios, enlosantinodosdevelocidaddelasondasestacionariasformadasconayudadeunreflector.Seha estudiadoladependenciadelpesomáximodeunobjetoesféricoquepuedelevitardelnivelde presiónsonoraydelradiodelobstáculo.Sehaintentadoestimarlaintensidaddelsonidodealta potenciairradiadoapartirdelpesomáximodelobjetoesféricoquepuedelevitar.
Hayvariostiposdelevitaciónacústica,mostraréaquíalgunosdeellos:
Levitación de onda estacionaria:Laspartículasquedanatrapadasenlosnodosdeunaonda estacionaria,formadaporunafuentedesonidoyunreflector(enelcasodeLangevinHorn)odos conjuntosdefuentes(enelcasodelTinyLev).Estodependedequelaspartículasseanpequeñasen relaciónconlalongituddeonda,típicamenteenlaregióndel10%omenos,yelpesomáximode levitaciónsueleserdelordendeunospocosmiligramos.
Levitacióndeondaestacionaria:Laspartículas quedanatrapadasenlosnodosdeunaonda estacionaria,formadaporunafuentedesonidoy unreflector(enelcasodeLangevinHorn)odos conjuntosdefuentes(enelcasodelTinyLev).Esto dependedequelaspartículasseanpequeñasen relaciónconlalongituddeonda,típicamenteenla regióndel10%omenos,yelpesomáximode levitaciónsueleserdelordendeunospocos miligramos.
Tambiénvalelapenaseñalarque,silapartículaesdemasiadopequeñaenrelaciónconlalongitudde onda,secomportarádemaneradiferenteyviajaráalosantinodos.Normalmente,estoslevitadores sondeunsoloeje,loquesignificaquetodaslaspartículasquedanatrapadasalolargodeunsolo ejecentraldellevitador.
Sinembargo,conelusodePATtambiénpuedenserdinámicos.Estaeslatécnicamásfuerteparala levitaciónaunadistanciamayorqueunalongituddeondadebidoalainterferenciaconstructivade lasdosondasviajerasquelaforman.Lasfuerzasdelalevitacióndeunsolohazadistanciason30 vecesmásdébilesqueunaondaestacionariasimple.Unlevitadoracústicodeunsolohazqueutiliza unatrampadevórticeparalevitarunapartículadepoliestirenoseexpandiráaproximadamenteel dobledeltamañodelalongituddeonda.Losvórticessealternanrápidamenteendirecciónpara evitarquelapartículagirehastaelpuntodeinestabilidad.
Levitación acústica de campo lejano:LosobjetosmásgrandesquelalongituddeondaFotografías delalevitacióndepoliestirenodebidoalaaccióndeondasultrasónicas(levitaciónacústica)son levitadosgenerandouncampoqueseadaptaaltamañoylaformadelobjetolevitado.Estopermite quelosobjetosmásgrandesquelalongituddeondalevitenadistanciasmayoresquelalongitudde ondadelafuente.Sinembargo,elobjetonodebeserdealtadensidad.Enlosprimerosenfoques, setratabadeunaondaestacionariaverticalsimpleparadiscos.
Vemosunalevitaciónacústicasehahechoconuna esferaquees3,6vecesmásgrandequelalongitud deondaacústica,ytieneunamasadealrededorde 1,5gramos.
Sepuedencombinarmúltiplestransductores ultrasónicosparahacerlevitarunobjeto significativamentemayorquelalongituddeonda acústica.
Usandoestatécnica,quefueroncapacesdelevitar laesferaaunaalturadealrededorde7mm,quees aproximadamentelamitaddelalongituddeondade lasondasacústicas.
DesarrollosrecienteshanutilizadounaPATyelmétododeelementodelímiteparalevitarobjetos muchomásgrandesadistanciasmuchomáslargas.Elobjetomáspesadoqueselevantaconesta técnicaesunaesferadepoliestirenoexpandidode30mmdediámetroconunamasade0,6g.Un octaedrodepoliestirenoexpandidoconunalongituddiagonalde50mmyunamasade0,5gesel objetomásgrandejamáslevitadoacústicamenteporestatécnicautilizandoPATporencimaypor debajodelobjeto.
Levitacióndeunpequeñoescarabajoporlapresióndelsonidoenun experimentodelaUniversidadPolitécnicadelNoroesteenChina
Esprobablequelasprincipalesaplicacionesdelalevitaciónacústicasean científicaseindustriales. Variosobjetoshansidolevitados acústicamenteenunTinyLev,incluyendosólidos,líquidos,hormigasyun componenteeléctrico(todoenelrangodetamañode2mma6mm).La manipulaciónsincontactodegotashaganadouninteréssignificativoya queprometequímicasincontactoapequeñaescala.
Existeuninterésparticularenlamezclade múltiplesgotasusandoPATparaquelasreacciones químicassepuedanestudiardeformaaisladadelos contenedores.
Tambiénhayinterésenutilizarlalevitaciónpara suspenderlasgotasdeproteínaparaelusode imágenesdedifracciónderayosXsin contenedores,loqueatenúaelhazyreducela calidaddelosdatosdedifracciónproporcionados
Asimismo,sehaestudiadolalevitacióndepequeñosanimalesvivosyla vitalidaddelosanimalesquenormalmenteexistenenelairenosevio afectada. Enelfuturo,podríausarsecomounaherramientapara estudiaralospropiosanimales.UnejemploeselcasodelaUniversidad PolitécnicadelNoroestesituadaenXi'an,China.Algunosdesus estudiantestrabajaronconcamposdeultrasonidosparalevitaresferas delsólidoyellíquidomáspesados(eliridioyelmercurio)paraaprender afabricarcosasdetodotipodesdefármacoshastamezclassinla necesidaddeenvases.Trasestodecidieronprobarloconpequeños animalesvivos(escarabajos)confirmandoquetambiénfuncionabael efectodelalevitaciónacústicaenellos(sintansiquierallegaradañarlos oaproduciralgúnefectonegativoenellos).
Lalevitaciónacústicatambiénsehapropuestocomounatécnicaparacrearunapantalla volumétrica,conluzproyectadasobreunapartículaquesemuevealolargodelcaminoparacrearla imagenmásrápidodeloqueelojopuedeprocesar.Estoyahasidoposibleysehacombinadocon retroalimentacióndeaudioyhápticadelmismoPAT.
Levitaciónmagnética:enestaformadelevitaciónsepuedenagruparladebidaaimanes(por ejemplo,dosimanesatravesadosporunhilo,dispuestosdeformaqueseenfrentenpolosiguales; estaversiónesconocidatambiéncomopseudolevitación,yaqueenrealidadrequieredeunaligadura adicional,comoporejemploelhilocomentado),ladebidaalasuperconductividad(concretamente porcausadelefectoMeissner),ladebidaaldiamagnetismo,olasuspensiónelectromagnética(la cual,conlaayudadeservomecanismos,esaplicadaentrenesdelevitaciónmagnética)
ElteoremadeEarnshawdemuestraqueutilizandoúnicamenteelferromagnetismoestáticoes imposiblehaceraunobjetolevitarestablementecontralagravedad,peroelusode materialesdiamagnéticos,servomecanismososuperconductorhacenposibledichalevitación.
Lalevitaciónmagnética,tambiénconocidapor suacrónimoinglésMaglev,esunmétodopor elcualunobjetoesmantenidoaflotepor acciónúnicamentedeuncampomagnético.En otraspalabraslapresiónmagnéticase contraponealagravedad.Cabedecirque cualquierobjetopuedeserlevitadosiemprey cuandoelcampomagnéticosealo suficientementefuerte.
ElteoremadeEarnshawdemuestraqueutilizandoúnicamenteelferromagnetismoestáticoes imposiblehaceraunobjetolevitarestablementecontralagravedad,peroelusode materialesdiamagnéticos,servomecanismososuperconductorhacenposibledichalevitación. LasaplicacionesmáscomunesdelalevitaciónmagnéticasonlostrenesMaglev,elrodamiento magnético,ylalevitacióndeproductosparasuexposición.Enunfuturo,ysillegamosacontrolar lafusiónnuclear,otrautilidaddelalevitaciónmagnéticapodríaserlalevitacióndelplasma.Esta seríalaúnicamaneraposibleyaquealosmillonesdegradosenlosqueocurreestefenómeno derretiríancualquiercontenedor.
Lalevitaciónmagnéticaesunfenómenoporelcualunmaterialpuede “flotar”graciasalarepulsiónexistenteentrelospolosigualesde dosimanes,comoocurreenunlevitrón.Lapeonzalevitarácuandola fuerzaderepulsiónentrelosdosimanesseigualeconladelpesode lapeonza,llegandoasíalequilibrio.Sihubieraundesequilibrioenlas fuerzas,lapeonzasaldríadespedidaporquelafuerzaderepulsión magnéticasuperaríaaladelpeso;obien,sedaríalavueltayse pegaríaalabaseporqueganaríanlafuerzasatractivas.
ElTrenMaglevutilizaelprincipiodeatracciónyrepulsiónquesecreaentredoscampos magnéticos.Tantoeltrencomolasvíasseencuentrandotadosconpotenteselectroimanes,porlo quelarepulsiónpermitequeeltrenseeleveunoscentímetrossobrelasvías.Asuvezloatraepara quenosalgadespedidoypuedadeslizarseconsuavidad.
Sedenominanmaterialessuperconductoresaaquellosmaterialesquenoofrecenresistenciaalpaso delacorrienteeléctricacuandoseencuentranpordebajodeunatemperaturadeterminada (temperaturacrítica,Tc),porloquesoncapacesdetransportarcorrientesinpérdidadeenergía. Yenestascondicionesdetemperatura,tambiénsedaelefectoMeissner. ElefectoMeissner consisteenquecuandounsuperconductorseenfríapordebajodesutemperaturacrítica,sisele aplicauncampomagnéticoexterno,B(creadoporunimán),enelinterior delsuperconductorel campomagnéticoseanula.
Elsuperconductorgeneracorrientessuperficialesquecreanuncampomagnéticoigualyopuestoal externo,causandounaexpulsióndelcampomagnético.Dichodeotromodo,cuandoseacercaun imánaunsuperconductor,elsuperconductorseconvierteenunimándepolaridadcontraria,de manera,que“sujeta”alotroimánsobreél.
Pero,alcontrarioqueunimánnormal(queharía queelotroimánsedieralavueltaysequedase pegadoaél),unsuperconductorcambiaelcampo magnéticocuandoelexteriorlohace, compensándolo,demodoqueescapazde mantenerelotroimánfijoenelaire.
Segeneraunafuerzamagnéticaderepulsiónla cualescapazdecontrarrestarelpesodelimán produciendoasílalevitacióndelmismo.
Elinconvenientemásimportantedelosmaterialessuperconductoressonlasbajastemperaturasa lasquepresentanlapropiedaddesuperconductividad.Sielcampomagnéticoessuficientemente fuerteolatemperaturaesaltasedestruyelasuperconductividadylalevitaciónnosucede.La temperaturacríticadeunsuperconductorrondalos-269ºC,porloquellegaraesatemperaturay mantenerlaconstanterequiereunatecnologíamuyavanzadayunagraninversióneconómica.
Porlotanto,elprincipalproblemadeltransportedelevitaciónmagnéticaeselaltocostedesu infraestructuraymantenimiento.ÉstaeslarazónporlaquelosMaglevnosehanextendido rápidamente,aunqueserácuestióndetiempo,laciencianoparadeinvestigarylatecnologíaavanza apasosagigantados.Enunfuturopróximopuedequesedescubransuperconductoresqueoperena temperaturaambiente,yquiénsabesideaquíaunasdécadaspodemoscruzarnuestropaísde extremoaextremoenapenasunahora.
Aquípodemosvereldiagramadeunlevitadormagnéticoconayudadesensores
Conayudadelalámparayelsensorópticolabolaconseguirá unasituacióndeequilibrio.
Estediagramanosmuestraelfuncionamientodellevitador,labobinaatraerálaesferadeacero mientrasobstaculiceelpasodelalámparasobreelsensoróptico,cuandoelsensorvelaluzdela lámpara,laBobinadejaradeactuarconloquelabolacaería.Asíseobtieneunacontinuasituación deequilibrio.
Otrodiagramadeunlevitadorbasadoensensor.
Comencemosconlaunidadencendidaylabolasuspendidadebajodelelectroimánunpocomáscerca deloquedeberíaestar.Cuandolabolaseacercademasiado,fluyemáscorrienteenQ2yelvoltaje atravésdeR6aumenta.LaseñaldeerrorquesaledeIC2-aluegosevuelvepositivayseacoplaa IC2-batravésdeR2.ElamplificadoroperacionalIC2-bamplificaeinviertelaseñalaplicándolaala puertadeQ1.Esaseñalnegativaseinvierteyamplifica,loquehacequeelvoltajeeneldrenajede Q1sevuelvapositivo.Comoresultado,fluyemenoscorrienteporlosdevanadosdelelectroimán,lo quesignificaqueseaplicamenosfuerzamagnéticaalabola.
Amedidaquelabolasealejadelimán,ocurrelocontrario:fluyemenoscorrienteatravésdeQ2, loquedarácomoresultadoquefluyamáscorrienteatravésdelimán.Elcompensadordelcircuito mantieneestableelmovimientodeidayvueltadelabolaparaqueparezcaflotar.Recuerde,el potenciómetroR2sepuedeutilizarparaajustarelniveldeesaestabilidad.
Levitaciónelectrostática: paraelloesnecesarioqueelobjetoquelevitaestécargado eléctricamente,demodoqueconuncampoeléctricoadecuadoseproduzcaunafuerzaigualy opuestaaladelagravedad.
Estetipodelevitacióneselquese da,porejemplo,enelexperimento clásicodelagotadeaceite realizadoporprimeravezpor RobertMillikan.
Lascargaseléctricasdelmismosignoserepelenyprovocanqueelglobopuedaelevarse.
Ungeneradordealto voltaje nospermitecrear cargaseléctricas suficientementefuertes paraelevarunpequeño trozodepapeldeestaño.
Elgeneradordealtovoltajesecomponedeunoscilador555queescitauntransistortipoIRFy alimentaeltranformadortipoflyback(delosqueusabanlostelevisores).Elflybacktieneasu salidaundiodorectificadordealtatension.
Este experimentodelevitaciónelectrostáticanosmuestracomoalalimentarlaestructuraque consisteenunazonabajadefinopapeldeestañoquecargamosnegativamentecon-20Kv.Yunfino hiloconductorenlapartealtaquecargamosconlaaltatensiónpositiva. Lafuerzaionicapermite elevarlaestructurasiemprequetengapocopeso.
Levitaciónaerodinámica:enestecasosejuegaconlasvariacionesenlapresiónejercida porgasesparamantenerobjetosenposiciónestable,comoenelcasodeloshelicópteros(los avionesnosepuedenconsiderarobjetosenlevitación,yaque,conalgunaexcepcióncomo elMcDonnellDouglasAV-8HarrierII,necesitanestarenmovimiento,porloquenosepuededecir queesténenposiciónestable).
