Хімія та Хімікі № 2 2012
Левітація - явище, у якому тіло без видимої опори "висить" над поверхнею - левітує. Випадки левітації можна умовно поділити на три групи.
У першому випадку має місце звичайний фокус. Тіло насправді не висить над поверхнею, а спирається на опору (як і належить). Тільки завдяки "спритності рук" фокусника помітити цю опору дуже важко чи практично неможливо. Як приклад наведемо оригінальний фонтан у формі крана. Не важко здогадатися, що труба-стояк знаходиться всередині струменя води, що витікає з крана. Тим не менш, вигляд крана, що "парить у повітрі", викликає непідробне захоплення у багатьох глядачів.
| Кран, що висить у повітрі |
Простий спосіб, як створити ілюзію левітації, не відриваючись від землі, ви можете побачити зі схеми:
| Левітація (як навчитися літати)howtodotricks.com |
Далеко не завжди техніка створення ілюзій настільки очевидна, тим більше, що більшість фокусників не поспішають ділитися своїми професійними секретами з широкою публікою. Способи монтажу зображень дуже різноманітні, і ми їх не розглядатимемо. Скажімо тільки, що в деяких випадках у монтажі немає потреби: наприклад, кадри, зняті під час стрибка або падіння, цілком можна видати за левітацію.
| Левітація (фокус) |
| Левітація (монтаж) |
Зрозуміло, що нас найбільше цікавить третій випадок, коли левітація викликана дією фізичних сил. В данномуу разі опору, яка підтримує "левітуючий" об'єкт, ніхто не ховає від глядача, проте вона невидима. Природа цієї "опори" може бути найрізноманітнішою. Наприклад, тенісний м'ячик або повітряна кулька можуть висіти в потоці повітря, що викидається з труби пилососа: тиск потоку повітря компенсує силу тяжіння (в даному випадку важливо, щоб потік був строго вертикальним, а м'ячик знаходився по центру). У великій і досить потужній аеродинамічній трубі може "левітувати" людина - подібно до м'ячика над пилососом - причому це вже давно перестало бути екзотикою.
| Левітація кульки для настільного тенісу в струмені повітря |
| Левітація тенісного м'ячика в струмені повітря |
Шматок надпровідника може левітувати над звичайним магнітом. Справа в тому, що надпровідники є діамагнетиками, тому вони виштовхуються з магнітного поля[1]. Але варто надпровіднику нагрітися вище за температуру переходу, як надпровідність зникає і шматочок падає (більшість надпровідників виявляють свої властивості при досить низьких температурах - температурах рідкого гелію або рідкого азоту). Досвід отримав специфічну назву: "Магометова труна" (за переказами труна пророка Магомета висіла без будь-якої опори в просторі).
_____________________________ 1 На відміну від "звичайних" діамагнетиків (про які мова піде трохи нижче), надпровідники є ідеальними діамагнетиками ("супердіамагнетиками" з ефективною магнітною проникністю -1). Можна умовно сказати, що надпровідники не пропускають магнітне поле у свою масу.
У звичайних діамагнетиках магнітні моменти атомів орієнтуються проти спрямування зовнішнього магнітного поля. Завдяки цьому діамагнетики послаблюютьмагнітне поле та виштовхуються з нього.
У надпровідниках природа діамагнетизму абсолютно інша: вона створюється струмами, що протікають без загасання поверхневому шарі матеріалу (ефект Мейснера). У досить слабкому зовнішньому полі результуючий потік магнітного поля всередині надпровідника дорівнює практично нулю. Навпаки, зовні надпровідника магнітний потік зростає – поле "виштовхується" з матеріалу. Сила, що виникає при взаємодії зовнішнього поля та поля індукованого струму, виштовхує надпровідник в область з меншим магнітним потоком.
| "Магометова труна": магніт левітує над охолодженим рідким азотом надпровідником |
| Високотемпературний надпровідник левітує над магнітом |
Однак зовсім не обов'язково володіти рідким азотом (а тим більше рідким гелієм), щоб продемонструвати левітацію тіл у магнітному полі. Справа в тому, що діамагнітними властивостями (тобто здатністю намагнічуватися проти напрямку магнітного поля) має багато речовин:
азот, водень, мідь, берилій, цинк, срібло, золото, ртуть, вісмут, германій, кремній,вода (рідка), кухонна сіль, ацетон, гліцерин, нафталін, піролітичний графіт та інші.
Серед металів найбільш сильними діамагнітними властивостями має вісмут. Потужний магніт із сплавів, що містять рідкісноземельні метали (з індукцією близько 1 Тл) цілком може висіти між двома блоками з вісмуту[2].
________________________________________ 2 Можливий і зворотний варіант (левітація вісмуту між двома магнітами), проте дістати невеликий, але потужний магніт і два блоки з вісмуту простіше, ніж два великі магніти зі сплавів рідкісноземельних металів і невеликий шматочок вісмуту.
| Левітація піролітичного графіту над магнітом |
| Левітація піролітичного графіту над неодимовим магнітом |
| Левітація магніту між двома блоками з вісмутуhttp://netti.nic.fi |
Зверніть увагу, що до списку діамагнітних речовин входить вода. Це означає не тільки те, що крапелька води здатна левітувати завдяки потужному магніту. Згадайте, що живі організми складаються в основному з води - завдяки цьому вони також мають діамагнітні властивості. За допомогою магніту можна змусити левітувати ягоди, комах та навіть невеликих тварин, наприклад, жабу чи мишу. На жаль, магніт має бути досить потужним (у згаданому випадку з жабою близько – 16 Тл).
| Левітуюча жаба (магнітне поле)http://www.ru.nl |
| Левітуючий коник (магнітне поле)http://www.ru.nl |
| Левітуюча рибка (магнітне поле) |
| Левітуючий жук (магнітне поле) |
| Левітуюча полуниця (магнітне поле)http://www.ru.nl |
| Левітуючий помідор (магнітне поле)http://www.ru.nl |
| Левітуюча вода (магнітне поле)http://www.ru.nl |
| Левітуючий горіх (магнітне поле) |
| Левітуюча миша (магнітне поле) |
Є й інший спосіб досягти "магнітної левітації", наприклад, невеликий магніт може "левітувати" між пальцями руки, якщо все це помістити в сильне магнітне поле (діамагнітна стабілізація левітації).
| Діамагнітна стабілізаціялевітації |
Після кількох не зовсім вдалих спроб побудувати та експлуатувати маглів, зроблених у різних країнах, у Китаї ввійшла до ладу комерційна залізнична лінія на магнітній подушці, яка з'єднує аеропорт Пудун та Шанхай.
| Перша у світі комерційна залізнична лінія на магнітній подушці |
Левітацію можна викликати за допомогою потужного акустичного поля (звуку). Звичайно, предмет повинен бути невеликий.
Тіло людини трохи легше води, проте, за допомогою грузиків можна зробити так, що ці щільності зрівняються: в результаті людина буде під водою в стані невагомості (подібно до краплі в описаному досвіді). Цей метод використовують для тренування космонавтів.
Сила Архімеда може також змусити левітувати мильні бульбашки: якщо мильна бульбашка з повітрям потрапляє у велику посудину, заповнену більш важким газом, вона спливає і починає плавати по межі поділу газів. Проте ми трохи забігли вперед: експериментам з левітації мильних бульбашок присвячена наступна частина статті.