Strona głównaPytania → Lewitujący pływak?

Lewitujący pływak?

Pytanie

Pyta Tomasz

Umieśćmy żabę w gradiencie bardzo silnego pola magnetycznego (o równoległych liniach pola). Przyjmijmy, że zwierzę znajduje się już w jednorodnym polu grawitacyjnym, skierowanym tak jak pole magnetyczne. Płaz, jak wiemy, zaczyna lewitować. Czy jednak będzie zdolny poruszać się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku pól? Czy zagarniając kończynami przestrzeń pod sobą zdoła popłynąć? Czy tupiąc łapkami w gradient pola wzbije się do góry, jakby odbijał się od liścia nenufaru?

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Piotr Sułkowski

Aby dokonać porównania lewitacji z pływaniem, warto najpierw uściślić, jakie siły działają na pływaka i umożliwiają pływanie. Samo unoszenie się w wodzie (tzn. fakt, że pływak nie opada na dno) możliwe jest dzięki sile wyporu, która przeciwdziała sile grawitacji. Natomiast poruszenie się w jakimś kierunku możliwe jest dzięki mechanicznej sile wynikającej z ruchu rąk i nóg pływaka — rozgarniając wodę (czy też inny ośrodek) kończyny równocześnie się od niej odpychają, dzięki temu, że ma ona pewną gęstość. Efekt ten jest rzeczywiście analogiczny do odbijania się od jakiegoś ciała stałego (podłoża, czy też liścia nenufaru). Im większa gęstość ośrodka, tym łatwiej byłoby się od niego odbijać i płynąć (choć należy pamiętać o pojawiającej się dodatkowo sile oporu, tym większej im jest większa prędkość pływaka — z jej powodu pływak nie porusza się ruchem przyspieszonym, ale ze stałą prędkością). Z kolei gęstość ośrodka jest konsekwencją tego, że złożony jest on z cząsteczek materii, które są masywne.

Rozpatrując teraz zjawisko lewitacji, samo unoszenie się jest możliwe dzięki pojawieniu się w danym obiekcie będącym diamagnetykiem (czyli np. w wodzie, która jest diamagnetykiem i z której w dużym stopniu składa się żaba), w wyniku przyłożenia zewnętrznego pola magnetycznego, pola magnetycznego o przeciwnym zwrocie. Wynikająca stąd siła utrzymuje żabę nad magnesem i jest analogiczna do siły wyporu, dzięki której pływa nie tonie. Natomiast pole magnetyczne wypełniające przestrzeń nie jest złożone z masywnych cząstek, ale bezmasowych fotonów — nie można się zatem od niego odepchnąć jak od ośrodka złożonego z masywnych cząstek. Zatem takie „pływanie” (tzn. mechaniczne odpychanie się od „gradientu” pola) nie byłoby możliwe. Co prawda fotony, choć bezmasowe, niosą z sobą pewien pęd, jest on jednak niezwykle mały i w praktyce nie byłoby możliwe wykorzystanie go w mechaniczny sposób, który spowodowałby ruch makroskopowego obiektu.