Física 8 de junho de 2022, 17:08 08/06/2022

Como levitar objetos usando o som

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Jovens revisores

Resumo

A levitação acústica usa ondas sonoras para manter objetos suspensos no ar. Todos sabemos que o som é capaz de nos faz dançar e de modificar nosso humor, mas ele pode também exercer uma força física capaz de fazer com que objetos levitem. Para utilizar essa força, empregamos alto-falantes que formam um padrão sonoro bem forte em torno do objeto. Os cientistas já puseram em prática essas ideias para levitar objetos pequenos, como insetos, ou muito pequenos, como células individualizadas. Assim, conseguem manipular esses objetos tal como o faria um robô, mas sem partes móveis. Até agora, apenas forças de levitação relativamente pequenas foram geradas; contudo, em teoria, forças bem maiores poderão ser produzidas e será possível levitar objetos até do tamanho de humanos. Apesar dessa possibilidade empolgante, você talvez não queira ser levitado por meio acústico – e por uma boa razão!

O que é levitação acústica?

A ideia de pairar no ar com leveza é mesmo empolgante. Seria possível percorrer grandes distâncias fazendo pouco ou nenhum esforço, visitar lugares que por outra via seriam inacessíveis ou apenas ficar sentado, relaxando! Há muito tempo que as pessoas pensam em modos para levitar a si mesmas e a objetos, mas essas ideias ainda estão longe de serem concretizadas. A levitação também é popular no cinema, quase sempre sem que se apresente nenhuma explicação de como ela poderia funcionar. Algumas pessoas alegam possuir esse poder aparentemente mágico, mas tais alegações nunca resistem à investigação científica. No entanto, a levitação acústica, que significa o emprego de ondas sonoras para manter objetos no ar, é um fato científico. Este artigo explica como a levitação acústica funciona e o que pode ser possível, agora e no futuro.

O som é criado quando alguma coisa vibra e gera ondas de energia. A vibração viaja pelo ar até nossos ouvidos. Quanto mais forte for a vibração das moléculas do ar, mais alto será o som. As ondas sonoras transportam forças, mas estas são em geral muito pequenas e por isso não conseguimos senti-las. O exemplo extremo desse efeito é a explosão. A força da explosão é transportada por uma onda de choque, que tem uma amplitude bastante elevada. Portanto, as ondas sonoras conduzem forças pelo ar e essas forças podem ser muito grandes. Como podemos imaginar, elas agem sobre qualquer material, inclusive seres vivos. Mas de que modo podemos utilizar essa força de uma maneira segura e controlável?

Os alto-falantes são fontes de som que todos conhecemos. Se tivéssemos um alto-falante suficientemente poderoso, conseguiríamos realizar levitação? A resposta é: sim e não! Sim, no caso de um alto-falante poderoso aplicar uma força a um objeto colocado à sua frente; não, se um único alto-falante produzir apenas uma força de empuxo e o objeto for incontrolavelmente empurrado para a frente. A fim de estabilizar a levitação, o truque é usar muitos alto-falantes e combinar os sons de todos eles.

Um arranjo é a disposição de um grupo de alto-falantes de forma a combinar os efeitos de seus sons (Figura 1). Temos de controlar meticulosamente o timing do som que sai de cada alto-falante. Se fizermos isso, as ondas sonoras se agruparão para formar o padrão de áreas sonoras e silenciosas que é necessário para que ocorra a levitação acústica. Os principais ingredientes desse padrão sonoro são uma área silenciosa, onde está o objeto, e áreas com som em volta dele, que o envolvem como se fossem uma caixa. Se o objeto tentar se mover, será arremessado de volta à área silenciosa pelo som.

Figura 1. Como a levitação acústica funciona. (A) Dois arranjos de alto-falantes, cada qual em forma de arco, são ativados para emitir um som alto. (B) A forma em arco faz com que as ondas viajem até um ponto central, onde a altura do som é ainda maior. (C) As ondas se misturam em um processo chamado interferência. Se os tempos das ondas forem rigorosamente concomitantes, essa interferência criará uma zona silenciosa rodeada por sons muito altos. Caso o som seja suficientemente alto, os objetos colocados na zona silenciosa poderão levitar, pois a força desse som alto irá mantê-los naquela zona.

Precisamos de sons muito altos mesmo para levitar objetos que sejam muito leves. O volume do som é medido em decibéis. A fala normal chega a 60 decibéis; a música de rock, a 140; e um foguete, durante o lançamento, a 180. A levitação de coisas extremamente pequenas começa quando o som alcança cerca de 145 decibéis, o que ultrapassa a altura conhecida como “limiar de dor”. Com esse volume, o som é não somente alto, mas doloroso e potencialmente prejudicial aos ouvidos! A solução é usar o ultrassom, um som tão agudo que os ouvidos humanos não conseguem percebê-lo (embora animais como cães e gatos o percebam). Mas, ainda que não o escutemos, o ultrassom contém energia na forma de moléculas de ar que vibram e podem ser usadas para a levitação (Figura 2).

Figura 2. (A) Levitação acústica de uma mosca com 5 mm de comprimento. (B) Levitação de um sapo com 20 mm de comprimento (esse é outro tipo de levitação, chamado diamagnético). Mosca e sapo não foram machucados. (Crédito da imagem: [1].)

Ímãs podem ser usados para a levitação?

Ao manusear um ímã, você logo percebe que forças podem ser aplicadas a certos objetos metálicos colocados a determinada distância. O ímã atrai esses objetos com uma força à qual é difícil resistir. Segure um ímã em cada mão e aproxime-os: você sentirá essa força. Os cientistas descobriram que forças magnéticas podem ser usadas para levitar objetos, mas só se estes forem feitos de materiais magnéticos, como o ferro. Ímãs comuns não afetam seres vivos. Entretanto, se a força do ímã for muito grande, um efeito chamado levitação diamagnética pode ocorrer e afetar seres vivos. Na levitação diamagnética, a força do ímã é tão grande que obriga as moléculas de água presentes no ser vivo a se esticarem e se transformarem em pequenos ímãs. As minúsculas moléculas magnetizadas podem então ser repelidas pelo ímã original. A Figura 2 mostra um famoso experimento no qual um sapo de 20 mm de comprimento foi suspenso no ar graças à levitação diamagnética [1]. Todavia, uma enorme quantidade de força (suficiente para o consumo de cerca de quinhentas casas!) foi necessária para alimentar o ímã.

É difícil fabricar um levitador acústico?

Você ficará surpreso se dissermos que poderá fabricar seu próprio levitador acústico em casa? Um grupo de pesquisadores redigiu instruções e fez um vídeo explicando os passos a serem dados [2–4]. Os itens principais são alto-falantes, um amplificador e um gerador de sinais (Figura 3). São os mesmos itens usados na fabricação de rádios ou qualquer outro sistema de som. Primeiro, o gerador de sinais produz a onda sob a forma de sinal elétrico. Este é aumentado pelo amplificador e levado aos alto-falantes. Se o sinal elétrico aumentar, o volume de som vindo dos alto-falantes aumentará também. É o que acontece quando você sobe o volume da música no rádio de seu carro.

Figura 3. Um levitador acústico que pode ser feito em casa. (A) Os itens da placa de excitador incluem um computador Arduino que gera a onda elétrica e um amplificador que aumenta a onda. O sinal elétrico é enviado a um arranjo de alto-falantes de ultrassom dispostos em forma de taça. O levitador pode ser alimentado por uma bateria ou uma tomada elétrica doméstica. (B) Mapa do padrão de altura. Amarelo é som alto, preto é silêncio e vermelho é meio-termo. Os objetos a serem levitados permanecem na zona de silêncio, mantidos em posição pelas áreas de som alto em cima e embaixo. (Crédito da imagem: [3], CC BY.)

Os alto-falantes usados em um levitador são um pouquinho especiais porque emitem ultrassom. Foram fabricados originalmente como sensores de estacionamento de carros, mas nós os remanejamos como alto-falantes de ultrassom. Se conectarmos um número suficiente deles e os alimentarmos com a quantidade certa de sinais elétricos, produziremos um som alto o bastante para a levitação. Esse experimento usa o ultrassom, que nenhum humano pode ouvir. Parece então silencioso para nós, mas, na área em que a levitação acontece, as moléculas do ar estão se agitando violentamente.

Ao fabricar um levitador, é importante obedecer ao padrão correto de áreas silenciosas e de som alto. No caso do aparelho feito em casa, fazemos isso dispondo os alto-falantes em dois vasos que concentrarão a energia em um ponto. Com os dois vasos um diante do outro, um padrão repetitivo de som alto e silêncio se forma. Damos a isso o nome de onda estacionária, que surge quando várias ondas se encontram e se misturam no processo de interferência. Você pode criar uma onda estacionária agitando uma corda de pular ou pressionando e soltando uma mola de brinquedo. Ao alcançar uma determinada velocidade de agitação, você perceberá um padrão constante em que certas partes vibram muito e outras partes ficam paradas. Esse padrão é exatamente aquilo de que precisamos para fazer a levitação, com os objetos sendo levitados em qualquer das áreas silenciosas.

Quais são as aplicações para a levitação acústica?

Até agora, os cientistas e engenheiros interessados em levitação acústica se ocuparam principalmente de levitar objetos com apenas alguns milímetros de tamanho, como insetos ou peças eletrônicas. Manter insetos e outros seres vivos parados nos permite estudá-los cuidadosamente ao microscópio sem tocá-los, o que é importante caso sejam muito delicados. Podemos também levitar as peças minúsculas usadas na fabricação de celulares, usando o aparelho de levitação a fim de movê-los de um lugar para outro como um braço de robô.

A levitação acústica também pode ser usada para manipular coisas ainda menores, como células vivas. Esses aparelhos funcionam como pinças microscópicas. Uma das aplicações mais impressionantes é na área da engenharia de tecidos orgânicos, em que os cientistas tentam encontrar maneiras de recriar músculos ou pele. Nesse caso, o aparelho de levitação acústica dispõe as células em padrões específicos. Há pouco, conseguiu-se juntar células em linhas para formar uma nova peça de músculo [5]. O músculo produzido dessa nova maneira mostrou-se melhor do que os obtidos por todos os demais métodos de laboratório. 

O futuro da levitação acústica

Podemos esperar, nos próximos anos, descobertas instigantes no campo da levitação acústica. Agora que essa técnica foi usada para construir tecidos simples como músculos, o próximo passo será empregá-la para obter estruturas mais complexas como corações artificiais. A concretização de ideias como essa exigirá que os engenheiros colaborem estreitamente com os pesquisadores médicos.

Será possível levitar objetos maiores? Ou seres humanos? Embora achemos difícil acreditar, a levitação de seres humanos é possível em teoria: precisamos apenas produzir um som suficientemente alto em torno de uma área do tamanho de um homem. Os cálculos sugerem que os alto-falantes mais potentes já fabricados nos permitiriam levitar sapos. Não há razão para negar que alto-falantes ainda mais potentes sejam construídos, se houver vontade e dinheiro! Se fosse possível, você gostaria de levitar?

Uma grande variedade de insetos e mesmo peixes pequenos já foram acusticamente levitados. Não sofreram dano algum, conforme se observou ao microscópio. Para levitar objetos maiores, há necessidade de um som mais alto, o que significa mais energia. O perigo é que a energia emitida seria absorvida pelos objetos ou pelo ar em volta deles, resultando num aquecimento rápido e intenso que talvez se mostrasse prejudicial. Além do perigo do calor, os efeitos do som alto em seres vivos ainda não são conhecidos. Assim, embora a levitação acústica de humanos seja possível em teoria, muito trabalho precisa ser feito antes que possamos realizá-la com segurança.

Glossário

Levitação acústica: Uso de ondas sonoras de grande amplitude, capazes de vencer a força da gravidade e manter objetos no ar.

Arranjo: Várias forças utilizadas juntas para gerar um efeito combinado. O termo se aplica a qualquer fonte de energia, mas aqui o empregamos para significar um conjunto de alto-falantes, cada qual contribuindo para produzir um som alto em determinado ponto.

Decibel (dB): Unidade internacional de medida do volume do som. Por exemplo, a fala normal chega a 60 dB, a sirene de polícia a 120 dB e os fogos de artifício ou a música muito alta a 140 dB.

Ultrassom: Som com frequência superior a 20 kHz. Esse é, comumente, o limite máximo de audição para adultos saudáveis. Animais como gatos, morcegos, insetos e golfinhos podem ouvir esse som.

Levitação diamagnética: Uso de campos magnéticos muito fortes para magnetizar materiais e mantê-los no ar. Essa técnica foi usada para levitar seres vivos, como um sapo pequeno.

Onda estacionária: Onda com um padrão constante de amplitudes alta e baixa. Pode ser percebida agitando-se uma mola de brinquedo para cima e para baixo em grande velocidade. Você verá uma série de pontos onde a mola está parada e, entre eles, outros pontos onde a mola está se movendo rapidamente.

Interferência: Resultado da mistura de duas ou mais ondas de qualquer tipo. Jogue duas pedras num rio. As ondas circulares formadas se dilatarão e, quando se encontrarem, darão origem ao fenômeno da interferência.

Referências

[1] Berry, M. V. e Geim, A. K. 1997 “Of flying frogs and levitrons.” Euro. J. Phys. 18:307–13. DOI: 10.1088/0143-0807/18/4/012.

[2] Marzo, A. Make Your Own Acoustic Levitator Instructions. Disponível em https://www.instructables.com/Acoustic-Levitator/.

[3] Marzo, A., Barnes, A. e Drinkwater, B. W. 2017. “TinyLev: a multi-emitter single-axis acoustic levitator.” Ver. Sci. Instru. 88:085105. DOI: 10.1063/1.4989995.

[4] Marzo, A., Caleap, M. e Drinkwater, B. W. 2018. “Acoustic virtual vortices with tunable orbital angular momentum for trapping of mie particles.” Phys. Ver. Lett. 120:044301. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.044301.

[5] Armstrong, J. P. K., Puetzer, J. L., Serio, A., Guex, A. G., Kapnisi, M. Breant, A. et al. (2018). “Engineering anisotropic muscle tissue using acoustic cell patterning.” Adv. Mater. 30:1802649. DOI: 10.1002/adma.201802649.

Citação

Drinkwater, B. (2021). “Levitating objects using sound.” Front. Young Minds. 9:678021. DOI: 10.3389/frym.2021.678021.

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