KERASKAN SUARANYA, DAN BINTANG ITU BERPUTAR KE ARAH SEBALIKNYA

Suara bisa mengangkat benda. Di antara corong yang bergetar dan sebuah reflektor, gelombang berdiri ultrasonik yang kuat menciptakan tempat-tempat di mana benda kecil — tetesan, lapisan tipis, butiran — melayang di udara tanpa menyentuh apa pun. Teknik ini sedang dikembangkan untuk analisis kimia dan farmasi serta untuk merakit struktur-struktur mungil.

Teknik ini punya keanehan yang membandel: benda yang dilayangkan sering mulai berputar dengan sendirinya. Penjelasan untuk kasus-kasus tertentu memang ada, tetapi belum ada aturan umum yang menyatakan kapan suatu benda akan berputar, ke arah mana, atau seberapa cepat.

Bintang berlengan melengkung

Sue Shi, Scott Waitukaitis, dan rekan-rekan di Institute of Science and Technology Austria (ISTA) membangun levitator yang bekerja pada sekitar 51 kilohertz, dengan reflektor safir di atas gimbal presisi sehingga medan suara dapat diselaraskan dengan sangat halus. Mereka mencetak 3D partikel berpendar setebal 200 mikrometer, masing-masing muat dalam lingkaran 1 milimeter, dan merekamnya dari bawah dengan 3.000 bingkai per detik.

Hasil pertama berkaitan dengan simetri. Dalam medan yang selaras dengan baik, segitiga, persegi, segi lima, dan bintang berlengan lurus — bentuk yang tampak sama di cermin — tidak pernah berputar. “Bintang kiral”, yang semua lengannya melengkung ke arah yang sama, mulai berputar begitu mereka melayang, mencapai kecepatan tetap dalam beberapa ratus milidetik. Lengkungan menentukan arah; balikkan bintangnya dan ia berputar ke arah lain. Memiringkan reflektor dengan sengaja bahkan membuat persegi berputar: rotasi spontan memerlukan simetri yang patah, entah pada benda atau pada medan suara.

Lebih banyak lengan, perilaku lebih aneh

Intuisi mengatakan bahwa lebih banyak lengan menangkap lebih banyak suara, dan suara yang lebih keras mendorong lebih kuat. Pengukuran pada tiga salinan yang nyaris identik dari setiap bintang berkata lain.

3 dan 5 lengan: berputar makin cepat seiring naiknya tegangan pada transduser — dan bersamanya tekanan suara.
7 lengan: paling cepat di sekitar 12–13 volt, lalu melambat.
10 lengan: paling cepat di sekitar 7–8 volt, lalu melambat, berhenti, dan berputar ke arah lain.
12 lengan: urutan yang sama, lebih awal — puncak pada 7 volt, berbalik di sekitar 10 volt.

Bintang-bintang tercepat mencapai sekitar 50 putaran per detik.

Resep dua suku

Untuk menjelaskannya, tim menyeimbangkan torsi pendorong — dorongan berputar yang diberikan oleh suara — dengan gesekan udara. Keduanya ditulis sebagai pangkat sederhana dari amplitudo suara: torsi memiliki suku utama ditambah koreksi yang tumbuh lebih cepat, dan gesekan naik seiring amplitudo. Gesekan tidak ditebak: ia diukur dengan mengamati seberapa cepat setiap bintang menjadi stabil setelah lonjakan tegangan mendadak: medan suara mencapai nilai barunya dalam sekitar sepuluh milidetik, sementara bintang memerlukan sekitar 183 milidetik untuk kembali ke kecepatannya (bintang berlengan 12 yang beralih dari 7 ke 8 volt), sebuah jeda yang semata-mata berasal dari hambatan udara — dan dihitung pada amplitudo nol dari bentuk bintang. Yang tersisa hanya dua angka bebas per bentuk, dan kurva yang dihasilkan cocok dengan setiap bintang, dari percepatan yang mantap hingga pembalikan penuh.

Hasil pencocokan itu bercerita secara konsisten. Lebih banyak lengan memberi dorongan lebih kuat pada volume rendah, sehingga bintang berlengan banyak mulai lebih cepat. Namun mereka juga membawa kontribusi berlawanan yang makin besar yang menang pada volume tinggi — dan ketika ia menang, bintang berbalik arah. Tegangan pembalikan mengikuti rumus sederhana, V* = 1/√(−α), dengan α bernilai negatif begitu koreksi itu melawan dorongan: makin besar nilai mutlaknya, makin dini pembalikan terjadi.

Bintang yang dirancang untuk berganti arah

Ujian sebenarnya adalah sebuah prediksi. Tim merancang bintang hibrida: separuhnya diambil dari bintang berlengan 4 yang melengkung searah jarum jam, separuh lainnya dari bintang berlengan 10 yang melengkung ke arah berlawanan. Menjumlahkan kurva prediksi kedua belahan itu menghasilkan ramalan: berlawanan arah jarum jam pada volume rendah, ketika belahan berlengan 10 mendominasi; searah jarum jam pada volume tinggi. Hibrida yang dicetak melakukan persis hal itu — berlawanan arah jarum jam pada 7 volt, diam pada 9 volt, searah jarum jam pada 11 volt — berbalik pada tegangan yang diprediksi.

Gaya yang tak dipesan siapa pun

Model ini menggambarkan dorongan berlawanan itu, tetapi tidak mengatakan dari mana asalnya. Para penulis menunjukkan bahwa dorongan itu tidak mungkin berasal dari teori gaya akustik yang biasa, di mana setiap efek tumbuh sebanding dengan kuadrat tekanan suara: semua kontribusi itu akan tetap sama perbandingannya ketika suara makin keras, dan arah putaran tidak akan pernah bisa berbalik. Ada sesuatu yang berorde lebih tinggi yang bekerja, dan ia menguat ketika lengan-lengan yang bertetangga makin berdekatan — mungkin suatu kopling antara lengan-lengan yang bersebelahan melalui suara dan udara. Mengukur atau menyimulasikan aliran di sekitar bintang yang berputar adalah langkah berikutnya. Sementara itu, bentuk sebuah partikel telah menjadi cara untuk memprogram bagaimana ia berputar.