Construye un Dispositivo de Levitación Ultrasónica con Arduino – Guía Paso a Paso

Componentes y suministros

Componente	Cantidad
Arduino UNO	1
Sensor ultrasónico HC-SR04 (genérico)	1
Controlador de motor dual H-Bridge L298 (SparkFun)	1
Batería 9V (genérica)	1

Herramientas y máquinas necesarias

• Hilo de soldar, sin plomo
• Soldador (genérico)
• Kit 10 cables jumper, 5 cm de largo

Aplicaciones y servicios en línea

• Arduino IDE

Sobre el proyecto

Es muy interesante ver algo flotando en el aire o en el espacio libre como naves alienígenas. Eso es exactamente de lo que trata un proyecto de anti-gravedad. El objeto (básicamente un pequeño trozo de papel o poliestireno expandido) se coloca entre dos transductores ultrasónicos que generan ondas de sonido acústicas. El objeto flota en el aire debido a estas ondas que parecen tener propiedades de anti-gravedad.

En este tutorial, discutamos la levitación ultrasónica y construyamos una máquina de levitación usando Arduino.

Paso 1: ¿Cómo es posible esto?

Para entender cómo funciona la levitación acústica, primero necesitas saber un poco sobre gravedad, aire y sonido.

Primero, la gravedad es una fuerza que hace que los objetos se atraigan entre sí. Un objeto enorme, como la Tierra, atrae fácilmente objetos cercanos, como manzanas colgando de árboles. Los científicos no han decidido exactamente qué causa esta atracción, pero creen que existe en todo el universo.

Segundo, el aire es un fluido que se comporta esencialmente igual que los líquidos. Como los líquidos, el aire está formado por partículas microscópicas que se mueven en relación entre sí. El aire también se mueve como el agua; de hecho, algunas pruebas aerodinámicas se realizan bajo el agua en lugar de en el aire. Las partículas en gases, como las que componen el aire, simplemente están más separadas y se mueven más rápido que las partículas en líquidos.

Tercero, el sonido es una vibración que viaja a través de un medio, como un gas, un líquido o un objeto sólido. Si golpeas una campana, esta vibra en el aire. Cuando un lado de la campana se mueve hacia afuera, empuja las moléculas de aire adyacentes, aumentando la presión en esa región. Esta área de mayor presión es una compresión. Cuando el lado de la campana vuelve a moverse hacia adentro, separa las moléculas, creando una región de menor presión llamada rarefacción. Sin este movimiento de moléculas, el sonido no podría viajar, por eso no hay sonido en el vacío.

Levitador acústico

Un levitador acústico básico tiene dos partes principales: un transductor, que es una superficie vibratoria que produce el sonido, y un reflector. A menudo, tanto el transductor como el reflector tienen superficies cóncavas para ayudar a enfocar el sonido. Una onda de sonido viaja desde el transductor y rebota en el reflector. Tres propiedades básicas de esta onda viajera y reflectante ayudan a suspender objetos en el aire.

Cuando una onda de sonido refleja en una superficie, la interacción entre sus compresiones y rarefacciones causa interferencia. Las compresiones que se encuentran con otras compresiones se amplifican mutuamente, y las compresiones que se encuentran con rarefacciones se equilibran. A veces, la reflexión y la interferencia se combinan para crear una onda estacionaria. Las ondas estacionarias parecen desplazarse hacia adelante y atrás o vibrar en segmentos en lugar de viajar de un lugar a otro. Esta ilusión de quietud es lo que da nombre a las ondas estacionarias. Las ondas de sonido estacionarias tienen nodos definidos, o áreas de presión mínima, y antinodos, o áreas de presión máxima. Los nodos de una onda estacionaria son la razón de la levitación acústica.

Al colocar un reflector a la distancia correcta de un transductor, el levitador acústico crea una onda estacionaria. Cuando la orientación de la onda es paralela a la atracción de la gravedad, porciones de la onda estacionaria tienen una presión constante hacia abajo y otras tienen presión constante hacia arriba. Los nodos tienen muy poca presión.

Así que podemos colocar pequeños objetos allí y levitarlos.

Paso 2: Componentes necesarios

• Arduino Uno / Arduino Nano ATMEGA328P
• Módulo ultrasónico HC-SR04
• Módulo H-Bridge L293D / L298
• PCB común
• Batería 7.4V o fuente de alimentación
• Cable de conexión

Paso 3: Diagrama de circuito

El principio de funcionamiento del circuito es muy simple. El componente principal es un Arduino, el IC de control de motor L298, y el transductor ultrasónico extraído del módulo de sensor HCSR04. Generalmente, el sensor ultrasónico transmite una onda acústica de señal de frecuencia entre 25kHz a 50 kHz, y en este proyecto usamos el transductor ultrasónico HCSR04. Estas ondas ultrasónicas crean ondas estacionarias con nodos y antinodos.

La frecuencia de trabajo de este transductor ultrasónico es 40 kHz. El propósito de usar Arduino y este pequeño código es generar una señal de oscilación de alta frecuencia de 40kHz para el sensor o transductor ultrasónico, y este pulso se aplica a la entrada del IC de control de motor dual L293D (desde pines Arduino A0 y A1) para impulsar el transductor ultrasónico. Finalmente, aplicamos esta señal de oscilación de alta frecuencia de 40kHz junto con el voltaje de impulsión a través del IC de control (típicamente 7.4V) al transductor ultrasónico. Como resultado, el transductor produce ondas de sonido acústicas. Colocamos dos transductores cara a cara en direcciones opuestas dejando un espacio entre ellos. Las ondas de sonido acústicas viajan entre los dos transductores y permiten que el objeto flote. Por favor, vea el video para más información, todo explicado en ese video.

Paso 4: Fabricación del transductor

Primero necesitamos desoldar el transmisor y receptor del módulo ultrasónico. También quitar la cubierta protectora y luego conectar cables largos. Luego colocar el transmisor y receptor uno sobre el otro; recuerde, la posición de los transductores ultrasónicos es muy importante. Deben enfrentarse en direcciones opuestas, lo cual es muy importante, y deben estar en la misma línea para que las ondas ultrasónicas puedan viajar e intersectarse en direcciones opuestas. Para esto usé una lámina de espuma, tuercas y tornillos.

Por favor, vea el video de fabricación para mejor comprensión

Paso 5: Programación

El código es muy simple, solo unas pocas líneas. Usando este pequeño código con la ayuda de funciones de temporizador e interrupción, ponemos en alto o bajo (0/1) y generamos una señal oscilante de 40kHz en los pines de salida A0 y A1 del Arduino.

Descarga el código de Arduino aquí.

Paso 6: Conexiones

Conecta todo según el diagrama de circuito. Recuerda conectar ambas tierras juntas.

Paso 7: Cosas importantes y mejoras

La colocación del transductor es muy importante, así que intenta colocarlo en la posición correcta.

Solo podemos levantar pequeños objetos ligeros como poliestireno y papel.

Debe proporcionar al menos 2 amperios de corriente.

Luego intenté levitar objetos grandes; para eso primero aumenté el número de transmisores y receptores, pero no funcionó. Luego intenté con alto voltaje, también falló.

Mejoras

Más tarde entendí que fallé por la disposición de los transductores. Si usamos múltiples transmisores, deberíamos alinearlos en una estructura curva.

Paso 8: Gracias

Cualquier duda, coméntala abajo.

Código

El código está disponible en GitHub Gist: https://gist.github.com/EDISON-SCIENCE-CORNER/3ebb7020d0dacbbae949afb8f29bfcc3

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