Apresentação do Projeto

Este projeto visa a divulgação de projetos de levitadores ultrassônicos controlados por Arduino como ferramentas auxiliares para a realização de experimentos de Física, com foco em conteúdos de mecânica. Para isso, são apresentados projetos básicos de levitadores simples, que permitem alterar de forma controlada das condições de levitação, e indicadas instruções para o registro e análise básica dos dados com o uso de filmagens com celulares, bem como indicados algumas sugestões de experimentos que podem ser feitos com esses dispositivos.

Figura Exemplo: Bolinha de isopor de ~3mm de diâmetro em um levitador acústico de dois emissores ultrassônicos de 40kHz e 12mm de diâmetro.

Um exemplo de levitação acústica

Bolinha de isopor em um levitador acústico com dois emissores ultrassônicos de 40kHz. O termo ultrassônico se deve ao fato desta frequência estar acima do limite de audição humana (que, em geral, vai até cerca de 20kHz).

A bolinha suspensa graças ao efeito do espalhamento da onda sonora em sua superfície, que dá origem à uma força que é capaz de equilibrar a combinação das forças peso e empuxo sobre a bolinha. No caso da Figura Exemplo, em que a onda sonora na região entre os emissores dá origem à uma onda estacionária¹, a força acústica sobre a bolinha nos nós de pressão é nula e age como uma força restauradora. Graças a isso, quando a posição da bolinha é ligeiramente abaixo da posição de um nó pressão, a força acústica sobre a bolinha aponta para cima e, dependendo da intensidade da onda sonora e da densidade da bolinha, pode ter intensidade suficiente para equilibrar a soma das forças peso e empuxo.

A posição de equilíbrio é onde se anula a soma vetorial do peso, empuxo e força acústica, ou seja, é uma posição ligeiramente abaixo da posição do nó de pressão². Movendo-se a bolinha para posições abaixo deste ponto faz com que a força acústica supere a soma do peso com o empuxo, dando origem à uma força resultante para cima, ao passo que quando a bolinha fica acima do ponto de equilíbrio a força resultante aponta para baixo, de modo que este ponto é um ponto de equilíbrio estável.

Maiores informações podem ser vistas no artigo "Levitação Acústica", publicado na Revista Brasileira de Ensino de Física em 2015 (volume 37(2), página 2304) e que pode ser acessado neste link.

¹ Na prática, a onda resultante não será uma onda estacionária pura, mas pode ser decomposta como sendo a sobreposição de uma onda estacionária com uma não-estacionária (viajante), uma vez que a intensidade das ondas subindo só é exatamente igual às ondas descendo em um único ponto.² O quão abaixo da posição do nó de pressão depende basicamente da densidade do objeto e da intensidade da força acústica (para bolinhas com dimensões pequenas em relação ao comprimento de onda da onda sonora que gera a força acústica).