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“牛顿的棺材板儿”又压不住了？

科技 09-07 来源： as科学艺术研究中心

文 Ivy

自古以来，人类一直没有放弃与重力做抗争，我们发明了各种科技装置来帮助我们摆脱重力，也学会利用自己的视觉弱点来实现一些反重力场景的构建，例如，你是否见过悬停在半空中的水珠？《惊天魔盗团2》中雨水被控制的效果想必令很多人印象深刻，但在之前的公众号文章“‘漫舞’不慢，是你的眼睛没能跟上”中，我们已经为大家揭秘其背后的“频闪效应”原理，显然这种视错觉依旧不能真正做到使水珠悬浮在空中。

“我要让雨滴静止！” 来源：《惊天魔盗团2》

来自加州的设计团队Simplistyk推出了一款有趣的名为“LeviZen”的桌面摆件，将水珠轻轻滴在左侧悬浮器装置中间，水能自如地悬浮在空中，依次滴入更多，水珠还能自动纵向排列整齐。LeviZen还通过放置在悬浮器底部的两个点状LED，对准悬浮液滴使其发光，就好像光本身在悬浮一样。

LeviZen中发光的悬浮水滴，来源：kickstarter.com

那么这种神奇的现象是怎样做到的呢？

还记得我们上一期“用一颗粒子绘制出可听、可看、可摸的‘全息’蝴蝶”中介绍过的声悬浮技术吗？这款LeviZen就是是基于声悬浮领域先驱Asier Marzo早期作品TinyLev之上发展而出的多发射器单轴声学悬浮器。声悬浮是一种利用来自高强度声波的声辐射压力使物质在重力作用下悬浮在空气中的方法。

声悬浮器装置，来源：aip.scitation.org

我们都知道声音是一种波，它在空气中传播，同水波在水中传播类似。不过水波是横波，其振动方向与传播方向垂直；而声波是纵波，其振动方向就在传播方向上。声波的连续振动使空气分子不断交替的压缩和松弛，导致大气压迅速产生起伏，而处在声场中的物体就会受到压强差产生的力的影响。

驻波，来源：wikipedia

上图中，红色与蓝色分别代表两个完全相同但传播方向相反的波，黑色波是它们合成的结果。把红蓝两列波的波幅相加，就产生了一条仿佛驻立在原地不动的波，这也是“驻波”名称的由来。

仔细观察可以发现，黑色驻波上红点位置的声波振幅永远为零，所以理论上压强也为零，这些地方叫作“波节”；而那些振幅最大的地方称为“波腹”，两个波节间的距离，正好是原来声波波长的一半。用驻波来悬浮物体，就是当波腹处产生的高压强把物体推向低压强区（波节）的力场，与悬浮粒子/水珠自身的重力达到平衡时，就能够使其停滞在空中。

悬浮器与控制器，来源：kickstarter.com

了解了这些原理，你就明白了LeviZen的奇妙构造。左侧的悬浮器是由上下对齐的两组扬声器构成，通过输入功率来换能发射出相同的两条人耳听不到的超声波（人耳能听到的声频率在20Hz~20kHz之间）来形成驻波；而右侧不起眼的小木盒才是悬浮液滴的“控制中心”，用来控制扬声器所发出的超声波。每种液体都悬浮在不同的高度，液体越稠密，它需要悬浮的能量就越大，这就要靠转动盒子上的全铝金属旋钮改变功率水平来做到。

现在的声悬浮已经逐步成为一项成熟的技术，可这种现象最初是如何被发现的呢？

1866年，德国物理学家奥古斯特·昆特（August Kundt）完成了一项声学实验，他制作了一个一端是发声器，而另一端是挡板的有机玻璃管实验仪器，发声器发出的声波在遇到挡板后，反射形成了声驻波，以此来测量气体和液体介质中的声波长从而计算声速。也是在这次实验过程中，他意外地发现了声波会使管中的尘埃颗粒（如软木灰、滑石粉或石松子，现在多使用聚苯乙烯粒子，也就是泡沫小球）悬浮舞动起来。

昆特管实验，来源：youtube

根据我们上文介绍过的驻波原理，因为波腹和波节不同的气体流动，这些颗粒会在波腹的地方被吸起腾空，在无压强波节处则会落下。现在的昆特管实验主要用于演示驻波和声学力。

取自昆特在《物理年鉴（Annalen der Physik）》中的原始论文，展示了管状装置和由它创建的粉末图案， 1866

1939年，一位牛津大学的医学博士受到他的西藏同学邀请，前往藏区小住一段，在此期间，他亲眼见到了声悬浮的现实场景——将近两百位僧侣利用地形组成排阵，通过演奏乐器将一块巨石悬浮到了空中，并使其缓慢上升飞行了三分钟后落在了离地约两百五十公尺的平台上。而这一震撼景象不禁令人想起金字塔建造的传说：古埃及人当年也许就是通过声悬浮来移动那些巨石的也尤未可知呢。