¿Cómo se hace girar una onda de sonido? golpearla con un tubo

Estoy seguro de que es una pregunta que te ha mantenido despierto por la noche: ¿Puedes hacer girar un objeto con una onda de sonido? La respuesta, en general, fue no. Ahora, sin embargo, los ingenieros mecánicos han echado un vistazo a lo que están jugando sus colegas. Con láser puedes hacerY cuando vieron la luz cópialo. Al hacerlo, se logró la rotación de objetos con ondas de sonido… pero solo en simulación.

¿Es realmente difícil hacer que las cosas giren?

Para tener una idea de por qué es difícil hacer girar cosas con ondas sonoras, imagina un tubo que sostiene una turbina. Normalmente, para hacer girar la turbina, el fluido fluye a través de los álabes de la turbina. La fuerza del fluido imparte torsión a las palas, lo que determina la rotación de 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. Entonces, el movimiento local transmitirá el par primero en el sentido de las agujas del reloj y luego en el sentido contrario. El resultado es un movimiento de balanceo.

Esencialmente, la onda tiene un momento lineal pero no un momento angular (específicamente, es un momento angular orbital, pero descartaremos la «órbita»). Un objeto 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 ajustar la rotación de la turbina. Esto funciona porque el fluido formará vórtices después de que la turbina haya pasado. Los vórtices llevan un momento angular con la rotación opuesta de la turbina para que el el momento angular total sigue siendo cero.)

Esta es toda una tierra bien rodeada. 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 de los investigadores fue demostrar que las ondas de sonido pueden llevar un momento angular. Después de hacer eso (la mayor parte del trabajo de pensamiento), es hora de descubrir cómo generar ondas.

Primero, haz que el teléfono se sienta mareado…

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 consiste en áreas de alta y baja presión que se mueven a través del espacio. Si podemos congelar el tiempo, podemos mirar hacia abajo a la onda de sonido congelada y dibujar una línea donde la presión sea mayor. Esta línea (generalmente una curva) está ubicada en un ángulo recto con respecto a la dirección en la que viaja la onda. Si descongelamos el tiempo por un momento y luego lo volvemos a congelar, encontramos que la línea ha avanzado a la velocidad del sonido a una nueva posición.

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

Tres haces de luz con unidades de momento angular orbital +1 (arriba), 0 y -1 (abajo).  La izquierda muestra los frentes de onda (líneas de fase estacionaria).  El medio muestra cómo varía la fase a lo largo del haz.  La derecha muestra el perfil de intensidad del haz.

Tres haces de luz con unidades de momento angular orbital +1 (arriba), 0 y -1 (abajo). La izquierda muestra los frentes de onda (líneas de fase estacionaria). El medio muestra cómo varía la fase a lo largo del haz. La derecha muestra el perfil de intensidad del haz.

Este frente de onda describe el momento de la onda y el momento angular. Para una onda con momento angular, el frente de la onda ya no es una línea (o un plano). En cambio, la superficie es una hélice (como un tornillo de Arquímedes). La onda todavía se mueve en ángulo recto con la superficie del frente de onda, pero ahora es helicoidal y gira alrededor de un eje central. Si tomara una parte del frente de onda y la rastreara, encontraría que son llaves helicoidales a lo largo de ese eje.

¿Qué sucede en el centro de la llave? En este sitio, el frente de onda no tiene un solo valor. El centro debe ser un sitio de alta y baja presión al mismo tiempo. Al universo no le gusta el contraste propio, por lo que toma la media y la onda de sonido en el centro no tiene amplitud.

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