Je suis sûr que c’est une question qui vous a empêché de dormir la nuit : pouvez-vous faire tourner un objet avec une onde sonore ? La réponse, en général, était non. Maintenant, cependant, les ingénieurs en mécanique ont jeté un coup d’œil à ce que leurs collègues jouent Avec le laser, vous pouvez faireEt quand ils ont vu la lumière copiez-le. Ce faisant, la rotation d’objets avec des ondes sonores a été réalisée … mais uniquement en simulation.
Est-ce vraiment difficile de faire tourner les choses ?
Pour avoir une idée de pourquoi il est difficile de faire tourner des choses avec des ondes sonores, imaginez un tube tenant une turbine. Normalement, pour faire tourner la turbine, un fluide circule à travers les aubes de la turbine. La force du fluide donne un couple aux pales, qui détermine la rotation de la turbine. Si nous remplaçons ce flux par une onde de pression (comme une onde sonore), le fluide va et vient. Ainsi, le mouvement local transmettra le couple d’abord dans le sens des aiguilles d’une montre, puis dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le résultat est un mouvement de bascule.
Essentiellement, l’onde a un moment linéaire mais pas un moment cinétique (plus précisément, c’est un moment cinétique orbital, mais nous laisserons tomber « l’orbite »). Un objet qui tourne a un moment cinétique. Dans l’exemple de la turbine, le moment cinétique total ne peut pas changer. Si l’onde n’a pas de moment cinétique et que la turbine n’a pas de moment cinétique, alors rien ne changera.
(Le fluide qui coule n’a pas non plus de moment angulaire, mais il peut ajuster la rotation de la turbine. Cela fonctionne parce que le fluide formera des tourbillons après le passage de la turbine. Les tourbillons portent un moment angulaire avec la rotation opposée de la turbine de sorte que le le moment cinétique total reste nul.)
C’est un territoire très bien clos. Mais jusqu’à récemment, personne n’était sûr que les ondes sonores pouvaient transporter ce type de moment cinétique. Même en supposant qu’ils le pouvaient, nous ne savions pas comment générer une onde sonore avec un moment cinétique. La première étape des chercheurs a donc été de montrer que les ondes sonores peuvent transporter un moment cinétique. Après avoir fait cela (le gros du travail de réflexion), il est temps de comprendre comment générer des vagues.
Tout d’abord, faites en sorte que le téléphone se sente étourdi…
L’astuce consiste à faire tourner les ondes mécaniques. Pour visualiser cette idée, vous devez comprendre l’idée d’un front d’onde. Par exemple, prenons une onde sonore voyageant dans l’air. Une onde sonore est constituée de zones de haute et basse pression qui se déplacent dans l’espace. Si nous pouvons figer le temps, nous pouvons regarder l’onde sonore gelée et tracer une ligne là où la pression est plus élevée. Cette ligne (généralement une courbe) est située à angle droit par rapport à la direction dans laquelle l’onde se déplace. Si nous dégelons le temps un instant puis le recongelons, nous constatons que la ligne a avancé à la vitesse du son vers une nouvelle position.
Notre image des fronts d’onde peut être étendue en trois dimensions. Ici, la ligne à haute pression devient un niveau de haute pression qui progresse dans l’espace à la vitesse du son.
Trois faisceaux de lumière avec +1 (en haut), 0 et -1 (en bas) unités de moment cinétique orbital. La gauche montre les fronts d’onde (lignes de phase stationnaires). Le milieu montre comment la phase varie à travers le faisceau. La droite montre le profil d’intensité du faisceau.
Ce front d’onde décrit l’élan et le moment cinétique de l’onde. Pour une onde avec moment cinétique, le front de l’onde n’est plus une ligne (ou un plan). Au lieu de cela, la surface est une hélice (comme une vis d’Archimède). L’onde se déplace toujours perpendiculairement à la surface du front d’onde, mais elle est maintenant hélicoïdale et tourne autour d’un axe central. Si vous deviez prendre une partie du front d’onde et la tracer, vous constateriez qu’il s’agit de clés hélicoïdales le long de cet axe.
Que se passe-t-il au centre de la clé ? Sur ce site, le front d’onde n’a pas une valeur unique. Le centre doit être un site de haute et basse pression en même temps. L’univers n’aime pas l’auto-contraste, il prend donc la moyenne, et l’onde sonore au centre n’a pas d’amplitude.
