¿Cómo hacer girar una onda de sonido? Golpéalo con una pipa

Es una pregunta que estoy seguro que te ha estado quitando el sueño: ¿puedes hacer girar un objeto con una onda de sonido? La respuesta, en general, solía ser no. Ahora, sin embargo, los ingenieros mecánicos han echado un vistazo a lo que sus compañeros que juegan con láser puede hacery habiendo visto la luz, ellos copiado. Y con eso se lograron objetos giratorios con ondas sonoras… pero solo en simulaciones.

¿Es realmente tan difícil hacer que las cosas giren?

Para tener una idea de por qué es difícil hacer girar las cosas con ondas sonoras, imagina un tubo que contiene una turbina. Normalmente, para hacer girar la turbina, un fluido pasaría a través de las palas de la turbina. La fuerza del fluido sobre las palas imparte un par que hace girar la turbina. Si reemplazamos este flujo con una onda de presión (como una onda de sonido), el fluido se mueve de un lado a otro. Así, el movimiento local transmitirá primero un par en el sentido de las agujas del reloj y luego en el sentido contrario a las agujas del reloj. El resultado es un movimiento de balanceo.

Más fundamentalmente, la onda lleva un momento lineal, pero no un momento angular (específicamente, es un momento angular orbital, pero dejemos «orbital»). Algo que gira tiene momento angular. En el ejemplo de la turbina, el momento angular total no puede cambiar. Si la onda no tiene momento angular y la turbina no tiene momento angular, nada cambiará.

(El fluido que fluye tampoco tiene un momento angular, pero puede hacer que la turbina gire. Esto funciona porque el fluido forma vórtices después de pasar por la turbina. Los vórtices llevan un momento angular con rotación opuesta a la turbina, por lo que el momento angular total permanece cero .)

Todo esto es un terreno muy trillado. Pero hasta hace poco, nadie estaba seguro de que las ondas de sonido pudieran llevar este tipo de momento angular. Incluso suponiendo que pudieran, no teníamos idea de cómo generar una onda de sonido con momento angular. Entonces, el primer paso que dieron los investigadores fue demostrar que las ondas de sonido podían llevar un momento angular. Habiendo hecho eso (la mayor parte del trabajo de pensamiento), era hora de descubrir cómo generar las ondas.

Primero, marear a un fonón…

El truco consiste en hacer girar las ondas mecánicas. Para visualizar esta idea, debe comprender la idea de un frente de onda. Por ejemplo, tomemos una onda de sonido que viaja por el aire. Una onda de sonido consta de regiones de alta y baja presión que se mueven a través del espacio. Si pudiéramos congelar el tiempo, podríamos mirar la onda de sonido congelada y dibujar una línea donde la presión es más alta. Esta línea (que suele ser una curva) está en ángulo recto con respecto a la dirección en la que viaja la onda. Si descongelamos el tiempo por un momento y luego lo congelamos nuevamente, encontraremos que la línea ha avanzado a la velocidad del sonido a una nueva posición.

Nuestra imagen de los frentes de onda se puede expandir a tres dimensiones. Aquí, la línea de alta presión se convierte en un plano de alta presión que se mueve por el espacio a la velocidad del sonido.

Este frente de onda describe el momento y el momento angular de la onda. Para una onda con momento angular, el frente de onda ya no es una línea (o un plano). En cambio, la superficie es una hélice (como un tornillo de Arquímedes). La onda sigue viajando en ángulo recto con respecto a la superficie del frente de onda, pero ahora es una espiral alrededor de un eje central. Si toma una sola pieza de frente de onda y la rastrea, encontrará que gira a lo largo de este eje.

¿Qué sucede en el centro del sacacorchos? Allí, el frente de onda no tiene un valor único. El centro tiene que ser un lugar de alta y baja presión. Al Universo no le gusta la autocontradicción, por lo que toma el promedio y la onda de sonido en el centro no tiene amplitud.