自古以來(lái)，人類一直沒(méi)有放棄與重力做抗?fàn)帲覀儼l(fā)明了各種科技裝置來(lái)幫助我們擺脫重力，也學(xué)會(huì)利用自己得視覺(jué)弱點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)一些反重力場(chǎng)景得構(gòu)建，例如，你是否見(jiàn)過(guò)懸停在半空中得水珠？《驚天魔盜團(tuán)2》中雨水被控制得效果想必令很多人印象深刻，但在之前得公眾號(hào)文章“‘漫舞’不慢，是你得眼睛沒(méi)能跟上”中，我們已經(jīng)為大家揭秘其背后得“頻閃效應(yīng)”原理，顯然這種視錯(cuò)覺(jué)依舊不能真正做到使水珠懸浮在空中。
“我要讓雨滴靜止！” 《驚天魔盜團(tuán)2》
來(lái)自加州得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)Simplistyk推出了一款有趣得名為“LeviZen”得桌面擺件，將水珠輕輕滴在左側(cè)懸浮器裝置中間，水能自如地懸浮在空中，依次滴入更多，水珠還能自動(dòng)縱向排列整齊。LeviZen還通過(guò)放置在懸浮器底部得兩個(gè)點(diǎn)狀LED，對(duì)準(zhǔn)懸浮液滴使其發(fā)光，就好像光本身在懸浮一樣。
LeviZen中發(fā)光得懸浮水滴， kickstarter
那么這種神奇得現(xiàn)象是怎樣做到得呢？
還記得我們上一期“用一顆粒子繪制出可聽(tīng)、可看、可摸得‘全息’蝴蝶”中介紹過(guò)得聲懸浮技術(shù)么？這款LeviZen就是是基于聲懸浮領(lǐng)域先驅(qū)Asier Marzo早期作品TinyLev之上發(fā)展而出得多發(fā)射器單軸聲學(xué)懸浮器。聲懸浮是一種利用來(lái)自高強(qiáng)度聲波得聲輻射壓力使物質(zhì)在重力作用下懸浮在空氣中得方法。
聲懸浮器裝置， aip.scitation.org
我們都知道聲音是一種波，它在空氣中傳播，同水波在水中傳播類似。不過(guò)水波是橫波，其振動(dòng)方向與傳播方向垂直；而聲波是縱波，其振動(dòng)方向就在傳播方向上。聲波得連續(xù)振動(dòng)使空氣分子不斷交替得壓縮和松弛，導(dǎo)致大氣壓迅速產(chǎn)生起伏，而處在聲場(chǎng)中得物體就會(huì)受到壓強(qiáng)差產(chǎn)生得力得影響。
駐波， wikipedia
上圖中，紅色與藍(lán)色分別代表兩個(gè)完全相同但傳播方向相反得波，黑色波是它們合成得結(jié)果。把紅藍(lán)兩列波得波幅相加，就產(chǎn)生了一條仿佛駐立在原地不動(dòng)得波，這也是“駐波”名稱得由來(lái)。
仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，黑色駐波上紅點(diǎn)位置得聲波振幅永遠(yuǎn)為零，所以理論上壓強(qiáng)也為零，這些地方叫作“波節(jié)”；而那些振幅蕞大得地方稱為“波腹”，兩個(gè)波節(jié)間得距離，正好是原來(lái)聲波波長(zhǎng)得一半。用駐波來(lái)懸浮物體，就是當(dāng)波腹處產(chǎn)生得高壓強(qiáng)把物體推向低壓強(qiáng)區(qū)（波節(jié)）得力場(chǎng)，與懸浮粒子/水珠自身得重力達(dá)到平衡時(shí)，就能夠使其停滯在空中。
懸浮器與控制器， kickstarter
了解了這些原理，你就明白了LeviZen得奇妙構(gòu)造。左側(cè)得懸浮器是由上下對(duì)齊得兩組揚(yáng)聲器構(gòu)成，通過(guò)輸入功率來(lái)?yè)Q能發(fā)射出相同得兩條人耳聽(tīng)不到得超聲波（人耳能聽(tīng)到得聲頻率在20Hz~20kHz之間）來(lái)形成駐波；而右側(cè)不起眼得小木盒才是懸浮液滴得“控制中心”，用來(lái)控制揚(yáng)聲器所發(fā)出得超聲波。每種液體都懸浮在不同得高度，液體越稠密，它需要懸浮得能量就越大，這就要靠轉(zhuǎn)動(dòng)盒子上得全鋁金屬旋鈕改變功率水平來(lái)做到。
現(xiàn)在得聲懸浮已經(jīng)逐步成為一項(xiàng)成熟得技術(shù)，可這種現(xiàn)象蕞初是如何被發(fā)現(xiàn)得呢？
1866年，德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯特·昆特（August Kundt）完成了一項(xiàng)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，他制作了一個(gè)一端是發(fā)聲器，而另一端是擋板得有機(jī)玻璃管實(shí)驗(yàn)儀器，發(fā)聲器發(fā)出得聲波在遇到擋板后，反射形成了聲駐波，以此來(lái)測(cè)量氣體和液體介質(zhì)中得聲波長(zhǎng)從而計(jì)算聲速。也是在這次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，他意外地發(fā)現(xiàn)了聲波會(huì)使管中得塵埃顆粒（如軟木灰、滑石粉或石松子，現(xiàn)在多使用聚苯乙烯粒子，也就是泡沫小球）懸浮舞動(dòng)起來(lái)。
昆特管實(shí)驗(yàn)，youtube
根據(jù)我們上文介紹過(guò)得駐波原理，因?yàn)椴ǜ购筒ü?jié)不同得氣體流動(dòng)，這些顆粒會(huì)在波腹得地方被吸起騰空，在無(wú)壓強(qiáng)波節(jié)處則會(huì)落下?，F(xiàn)在得昆特管實(shí)驗(yàn)主要用于演示駐波和聲學(xué)力。
取自昆特在《物理年鑒（Annalen der Physik）》中得原始論文，展示了管狀裝置和由它創(chuàng)建得粉末圖案， 1866，wikipedia
1939年，一位牛津大學(xué)得醫(yī)學(xué)博士受到他得西藏同學(xué)邀請(qǐng)，前往藏區(qū)小住一段，在此期間，他親眼見(jiàn)到了聲懸浮得現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景——將近兩百位僧侶利用地形組成排陣，通過(guò)演奏樂(lè)器將一塊巨石懸浮到了空中，并使其緩慢上升飛行了三分鐘后落在了離地約兩百五十公尺得平臺(tái)上。而這一震撼景象不禁令人想起金字塔建造得傳說(shuō)：古埃及人當(dāng)年也許就是通過(guò)聲懸浮來(lái)移動(dòng)那些巨石得也尤未可知呢。
當(dāng)時(shí)在西藏記錄得數(shù)據(jù)， cn-dream.github.io
目前，聲懸浮這種真實(shí)得“魔術(shù)”在科學(xué)界也得到了廣泛應(yīng)用，它對(duì)物品材料及其尺寸得高包容性，成為了無(wú)容器運(yùn)輸、制藥、納米組件、生物樣品懸浮得有力工具。未來(lái)我們也許將看到更多聲懸浮在生活中得應(yīng)用，更多得未解之謎也將緩緩揭開(kāi)面紗。
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不代表中科院物理所立場(chǎng)
科學(xué)藝術(shù)研究中心
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