Книга: Чердак. Только физика, только хардкор!

6.4. Левитация. Реальные способы

6.4. Левитация. Реальные способы

Согласитесь, было бы здорово, если бы мы умели летать благодаря только силе мысли. Становиться легкими, как пушинка, парить над землей, преодолевать огромные расстояния по воздуху, словно сказочный Питер Пэн… Эх, мечты, мечты! Такое возможно только в далеком будущем. А может быть, нет?

Это состояние, в котором объект парит в пространстве без какой-либо механической поддержки и опоры и не отталкивается от воздуха, как птица или насекомое. Для левитации необходимо выполнение двух условий: наличие силы, противодействующей силе тяжести, и стабилизация в устойчивом положении равновесия.

Существует огромное количество простых и неинтересных способов, благодаря которым небольшие тела могут парить в воздухе и которые технически можно назвать левитацией. Например, благодаря выталкивающей силе Архимеда. Если мы возьмем прозрачный газ тяжелее воздуха, например элегаз, то легкие объекты будут плавать на его поверхности, как корабли на поверхности воды. Невесомость на орбите или специальном самолете – тоже в какой-то степени левитация. Существует левитация в акустических стоячих волнах, которые всегда представляют собой волны сжатия-разрежения. Небольшие предметы могут зависать в областях разрежения, где плотность ниже.

Есть и более интересные способы. Например, магнитная левитация с обратной связью. Магниты могут притягиваться друг к другу. Однако повесить один магнит на другой невозможно, ведь такое состояние неустойчиво. Но если вместо верхнего магнита использовать электромагнит, который можно включать и выключать, и систему обратной связи, то можно добиться левитации. Действительно, как только нижний магнит начинает притягиваться, система обратной связи отключает верхний. Нижний начинает падать, верхний включается. Если очень точно отслеживать положение магнита, то эти колебания будут незаметны, и можно сказать, что возникает левитация. На этом принципе основаны высокоскоростные поезда на магнитной подвеске – маглевы, а также левитирующие глобусы, продающиеся во многих сувенирных магазинах.

Но мы вряд ли станем в будущем пользоваться этими громоздкими и затратными способами, для того чтобы парить в воздухе. Есть ли что-то более простое, эффектное и элегантное? Есть!

Для начала рассмотрим очень интересный эффект. Что будет, если уронить магнит? Да ничего особенного, он просто упадет. Но если мы посмотрим, как он будет падать в медной трубе, то увидим: он многократно замедляется и медленно опускается, словно возникает сила, противоположная притяжению к земле.

Дело вот в чем. Когда магнит начинает падать, то по закону электромагнитной индукции, так как магнитный поток постоянно изменяется из-за движения магнита, в трубе возникает индукционный ток. И из-за этого труба тоже становится магнитом, пока в ней течет ток. Но по правилу Ленца полярность этого магнита противоположна полярности падающего, и в итоге возникает сила отталкивания.

По этим же фундаментальным принципам эффект работает в любом направлении. Куда бы ни двигался магнит, окруженный проводником, он всегда встречает сопротивление. Это как селебрити: чем крупнее звезда, тем больше фанатов мешают ему (или ей) пройти куда бы то ни было.

Однако если у проводника есть сопротивление, то наведенные токи затухают, и сила сопротивления, хоть она и есть, но недостаточно большая, чтобы полностью остановить магнит. Но если бы проводник имел нулевое сопротивление, то эти токи никогда не затухали бы, и сила сопротивления полностью гасила бы любое перемещение магнита. Это и происходит, если мы поднесем магнит к сверхпроводнику.

У многих материалов есть интересное свойство: при охлаждении до температуры ниже какой-то критической у них полностью пропадает электрическое сопротивление. У всех по-разному. Одно из самых теплых веществ – это оксид иттрия-бария-меди. Его критическая температура ?180 ?. Его охлаждают жидким азотом, и магнит, помещенный над ним, словно замирает. Действительно, ведь при любом движении возникают незатухающие токи, которые порождают сопротивление движению. Получается, если над сверхпроводником поместить магнит, то в сверхпроводнике возникнут незатухающие токи, магнит будет отталкиваться и зависнет в воздухе! И он будет висеть так, пока свехпроводник будет сохранять нулевое сопротивление. Это явление также имеет название «гроб Магомета».

Это все замечательно, но может ли человек левитировать сам по себе? Технически – да. Но для этого он должен оказаться в очень сильном магнитном поле (около 16 Тесла), а это большие проблемы для ферромагнетиков рядом. В магнитно-резонансном томографе, где поле до 9 Тесла, парить вы не будете.

Дело в том, что практически все вещества хоть как-то, но взаимодействуют с магнитным полем. По характеру взаимодействия их делят на ферромагнетики, парамагнетики, диамагнетики.

Ферромагнетики очень сильно намагничиваются и во внешнем магнитном поле сами становятся магнитами, поэтому очень хорошо притягиваются. Это такие активисты, подрывные личности, активно участвующие в магнитной жизни. Парамагнетики намагничиваются слабо и притяжение невелико. Это такие флегматичные, малоактивные, но податливые ребята. А вот диамагнетики намагничиваются противоположно внешнему полю, поэтому они становятся магнитами с противоположной полярностью и отталкиваются от источника магнитного поля. Это вялые, малоактивные ворчуны, которым не нравится магнитное поле, и они хотят неспешно его покинуть.

И самое главное. Диамагнетиками являются, например, висмут, пиролитический графит и вода. А из воды в большей степени состоят все живые существа, да и мы на 60 % из нее состоим. Так что живые существа могут левитировать в сильном магнитном поле. Это подтверждено опытами на лягушках, кузнечиках, мышах. Забавно, но за это исследование нобелевский лауреат Андрей Гейм в 2000 году получил Шнобелевскую премию.

Ну и если удастся создать сильное магнитное поле в достаточно большом объеме, чтобы поместился человек, нет никаких препятствий для его левитации.

Но даже если человек левитирует, как управлять полетом? У левитации действительно есть одна проблема. Если человек окажется в воздухе, то, чтобы перемещаться в пространстве, он должен отталкиваться от чего-то или использовать реактивную тягу. Иначе он будет просто барахтаться в воздухе и не сможет никуда сдвинуться. Ведь, чтобы двигаться, нужно от чего-то оттолкнуться.