La elevación óptica es un análogo óptico de la elevación aerodinámica , en la que un objeto refractivo curvado con superficies superior e inferior de formas diferentes experimenta una fuerza de elevación transversal estable cuando se coloca en un flujo de luz uniforme . [1]
Descubrimiento
La capacidad de la luz para aplicar presión a los objetos se conoce como presión de radiación , que se postuló por primera vez en 1619 y se demostró en 1900. Este es el principio detrás de la vela solar , que utiliza la presión de radiación de luz para moverse por el espacio . Un estudio de 2010 realizado por el físico Grover Swartzlander y sus colegas del Instituto de Tecnología de Rochester en Rochester, Nueva York, muestra que la luz también es capaz de crear la fuerza más compleja de " sustentación ", que es la fuerza generada por las aspas aerodinámicas que hacen que un avión se eleve hacia arriba cuando viaja hacia adelante. Este estudio fue publicado en diciembre de 2010 en la revista Nature Photonics . Swartzlander predijo, observó y verificó experimentalmente a una escala micrométrica que cuando se aplica un rayo de luz láser a una varilla refractiva semicilíndrica, se torna automáticamente en un ángulo de ataque estable y luego exhibe un movimiento uniforme . [1]
El experimento comenzó como modelos de computadora que sugirieron que cuando la luz incide sobre un objeto diminuto con forma de ala , se aplica una fuerza de elevación estable a la partícula. Luego, los investigadores decidieron hacer experimentos físicos en el laboratorio y crearon varillas diminutas, transparentes, del tamaño de un micrómetro, que eran planas en un lado y redondeadas en el otro, como las alas de un avión. Sumergieron las láminas de luz en agua y las bombardearon con luz láser infrarroja de 130 mW desde debajo de la cámara. La presión de la radiación empuja las partículas a lo largo de la dirección de propagación, esto se llama fuerza de dispersión , pero la excitación se produjo cuando las partículas fueron forzadas hacia un lado en una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la luz. La fuerza transversal sobre las partículas es la fuerza de elevación. Los investigadores descubrieron no solo que las varillas experimentaron una elevación estable, sino que, dependiendo del índice de refracción, la varilla podría tener hasta dos ángulos de ataque estables en los que giraba cuando se exponía a la luz láser. Las esferas simétricas probadas no mostraron este mismo efecto de elevación. [2]
En la elevación óptica, creada por una "lámina de luz", la elevación se crea dentro del objeto transparente a medida que la luz brilla a través de él y es refractada por sus superficies internas. En las varillas de lámina de luz, una mayor proporción de luz sale en una dirección perpendicular al haz y, por lo tanto, este lado experimenta una mayor presión de radiación y, por lo tanto, se eleva. [2]
Usos potenciales
Algunos físicos consideran que el descubrimiento de 2010 de la elevación óptica estable es "de lo más sorprendente". [3] A diferencia de las pinzas ópticas , no se requiere un gradiente de intensidad para lograr una fuerza transversal. Por lo tanto, muchas varillas pueden elevarse simultáneamente en un solo haz de luz casi uniforme. Swartzlander y su equipo proponen el uso de elevación óptica para impulsar micromáquinas, transportar partículas microscópicas en un líquido o para ayudar en la autoalineación y dirección de las velas solares , [3] una forma de propulsión de naves espaciales para viajes espaciales interestelares. Las velas solares generalmente están diseñadas para aprovechar la luz para "empujar" una nave espacial, mientras que Swartzlander diseñó su hoja de luz para elevarse en una dirección perpendicular; aquí es donde se puede aplicar la idea de poder dirigir una futura nave espacial de vela solar. [4]
Swartzlander dijo que el siguiente paso sería probar láminas de luz en el aire y experimentar con una variedad de materiales con diferentes propiedades refractivas y con luz incoherente. [2]
Ver también
- Elevación aerodinámica
- IKAROS - (Kite-craft interplanetario acelerado por la radiación del sol)
- Propulsión láser
- Fuerza optica
- Vela solar
Referencias
- ↑ a b Swartzlander Jr, Grover A .; Timothy J. Peterson; Alexandra B. Artusio-Glimpse y Alan D. Raisanen (5 de diciembre de 2010). "Elevación óptica estable". Nature Photonics . 5 : 48–51. Código bibliográfico : 2011NaPho ... 5 ... 48S . doi : 10.1038 / nphoton.2010.266 .
- ^ a b c Edwards, Lin (7 de diciembre de 2010). "Levantamiento óptico demostrado por primera vez" . Physorg . Consultado el 9 de diciembre de 2010 .
- ^ a b Palmer, Jason (8 de diciembre de 2010). " La idea de ' Lightfoil' muestra que la luz puede proporcionar elevación" . BBC News . Consultado el 8 de diciembre de 2010 .
- ^ Kaku, Michio (7 de diciembre de 2010). "La elevación óptica puede permitirnos dirigir naves espaciales de vela solar [sic & # 93 y Nano Devices" . Piensa en grande . Consultado el 8 de diciembre de 2010 .
enlaces externos
- Video: Levantamiento óptico demostrado por primera vez