Construa um Dispositivo de Levitação Ultrassônica com Arduino – Guia Passo a Passo

Componentes e Materiais

• Arduino UNO (1 unidade)
• Sensor Ultrassônico HC-SR04 genérico (1 unidade)
• Driver de Motor Dual H-Bridge L298 SparkFun (1 unidade)
• Bateria 9V genérica (1 unidade)

Ferramentas Necessárias

• Solda sem chumbo
• Ferro de solda genérico
• Kit 10 Jumpers, 5 cm

Aplicativos e Serviços Online

• Arduino IDE

Sobre o Projeto

É fascinante ver algo flutuando no ar ou no espaço livre como naves alienígenas. Isso é exatamente o que um projeto de anti-gravidade faz. O objeto (basicamente um pequeno pedaço de papel ou isopor) é colocado entre dois transdutores ultrassônicos que geram ondas sonoras acústicas. O objeto flutua no ar devido a essas ondas que parecem ser de anti-gravidade.

Neste tutorial, vamos discutir a levitação ultrassônica e construir uma máquina de levitação usando Arduino.

Passo 1: Como Isso é Possível

Para entender como a levitação acústica funciona, você precisa saber um pouco sobre gravidade, ar e som.

Gravidade é uma força que faz objetos se atraírem. Um objeto enorme como a Terra atrai facilmente objetos próximos, como maçãs em árvores.

Ar é um fluido que se comporta essencialmente como líquidos. Feito de partículas microscópicas que se movem em relação umas às outras. As partículas em gases estão mais afastadas e se movem mais rápido que em líquidos.

Som é uma vibração que viaja através de um meio (gás, líquido ou sólido). Ao tocar um sino, ele vibra no ar. Um lado empurra moléculas de ar, aumentando a pressão (compressão). O lado oposto puxa moléculas, criando região de menor pressão (rarefação). Sem movimento molecular, o som não viaja – por isso não há som no vácuo.

Levitador Acústico

Um levitador acústico básico tem duas partes principais: um transdutor (superfície vibratória que produz o som) e um refletor. Frequentemente ambos têm superfícies côncavas para focar o som. Uma onda sonora viaja do transdutor e reflete no refletor. Três propriedades básicas ajudam a suspender objetos no ar:

Quando uma onda sonora reflete em uma superfície, a interação entre compressões e rarefações causa interferência. Compressões que se encontram amplificam-se; compressões que encontram rarefações cancelam-se. Reflexão e interferência podem criar uma onda estacionária. Ondas estacionárias parecem vibrar em segmentos em vez de viajar. Essa ilusão de imobilidade dá o nome. Ondas estacionárias têm nós (áreas de pressão mínima) e antinós (áreas de pressão máxima). Os nós são a razão da levitação acústica.

Colocando o refletor à distância correta do transdutor, cria-se uma onda estacionária. Quando a orientação da onda é paralela à gravidade, partes têm pressão descendente constante e outras pressão ascendente constante. Nos nós a pressão é mínima – podemos colocar pequenos objetos lá e levitá-los.

Passo 2: Componentes Necessários

• Arduino Uno / Arduino Nano ATMEGA328P
• Módulo Ultrassônico HC-SR04
• Módulo H-Bridge L293D / L298
• PCI comum
• Bateria 7.4V ou fonte de alimentação
• Fios de conexão

Passo 3: Diagrama de Circuito

O princípio de funcionamento é simples. Componentes principais: Arduino, CI driver de motor L298, e transdutor ultrassônico do módulo HCSR04. Geralmente o sensor transmite onda acústica entre 25kHz a 50kHz. Neste projeto usamos transdutor HCSR04 (40 kHz). O Arduino gera sinal de oscilação de 40kHz nos pinos A0 e A1, aplicado à entrada do driver dual L293D para acionar o transdutor. Aplicamos sinal de 40kHz com tensão de acionamento (tipicamente 7.4V) no transdutor. Este produz ondas sonoras acústicas. Dois transdutores face a face em direções opostas criam ondas que se intersectam, permitindo objetos flutuarem. Assista ao vídeo para mais detalhes.

Passo 4: Fabricando o Transdutor

Primeiro, dessolde o transmissor e receptor do módulo ultrassônico. Remova a capa protetora e conecte fios longos. Posicione transmissor e receptor um sobre o outro – a posição é muito importante. Devem ficar frente a frente em direções opostas, na mesma linha, para que ondas viajem e se intersectem. Usei folha de espuma, porcas e parafusos.

Assista ao vídeo de montagem para melhor entendimento.

Passo 5: Programação

O código é muito simples, poucas linhas. Usando timer e funções de interrupção, geramos sinal oscilante de 40kHz nos pinos A0 e A1 do Arduino.

Baixe o código Arduino aqui.

Passo 6: Conexões

Conecte tudo conforme o diagrama de circuito. Lembre-se de conectar ambos os GNDs juntos.

Passo 7: Pontos Importantes e Melhorias

• Posicionamento do transdutor é crucial – posicione corretamente.
• Levita apenas objetos leves e pequenos (isopor, papel).
• Forneça pelo menos 2A de corrente.
• Tentei levitar objetos maiores: aumentar número de transmissores/receptores não funcionou; alta tensão também falhou.
• Melhoria: Falhei pela disposição dos transdutores. Se usar múltiplos transmissores, devem ser alinhados em estrutura curva.

Passo 8: Agradecimentos

Dúvidas? Comente abaixo!

Código

Gist

https://gist.github.com/EDISON-SCIENCE-CORNER/3ebb7020d0dacbbae949afb8f29bfcc3

Esquemático

Diagrama de circuito disponível na imagem do projeto original.