Книга Новый физический фейерверк, страница 129 – Джирл Уокер

Дверные петли могут скрипеть, если их трущиеся друг о друга детали при движении зацепляются и расцепляются. Если вы вращаете дверь быстрее, детали могут не успевать зацепляться, и тогда не будет и зацепления-расцепления, и, соответственно, скрипа.

Шины, проскальзывающие по сухому асфальту, движутся, то зацепляясь за него, то отрываясь, и это приводит к тому, что шины начинают колебаться и, соответственно, визжать. Это, по существу, тот самый визг, который так высоко ценится в гонках на максимальное ускорение. Шины будут визжать и при экстренном торможении (если не включается антиблокировочная система — АБС, или ABS), но тогда этот звук совсем не приводит окружающих в восторг.

Прислушайтесь и вы найдете сотни других примеров звуков, возникающих при зацеплении и проскальзывании поверхностей.

Если вы потрете мокрым пальцем по ободку винного бокала или любого другого стакана, вы сможете заставить стакан «петь». Что вызывает этот звук?

ОТВЕТ • Когда вы ведете пальцем по ободку бокала, палец и ободок постоянно то зацепляются друг за друга, то проскальзывают. В фазе зацепления ободок чуть-чуть вытягивается в направлении движения пальца, деформируя бокал. В фазе проскальзывания ободок освобождается от пальца и восстанавливает свою форму, и это приводит к колебаниям. Про самые большие колебания говорят, что это резонансные колебания. Вид сверху колеблющегося ободка бокала изображен на рис. 3.4. Колебания следуют за движущимся вдоль ободка пальцем, и это вызывает пульсации звука (звук появляется и исчезает с частотой несколько герц, величина ее зависит от скорости движения пальца). Частота, с которой на ободке создаются перепады давления воздуха и частота звука, которую мы слышим, примерно пропорциональна толщине ободка и обратно пропорциональна квадрату радиуса отверстия бокала, а значит, она выше для более толстого ободка и узкого отверстия. Если в стакан налить жидкость, резонансная частота уменьшится, поскольку масса жидкости уменьшает скорость, с которой стенки стакана могут осциллировать.

Рис. 3.4 / Задачи 3.43 и 3.44. Вид сверху на колеблющийся ободок стеклянного бокала (деформация при колебаниях сильно преувеличена).

Некоторые музыканты научились исполнять мелодии на наборе стаканов, в каждый из которых налито определенное количество жидкости (меняя уровень жидкости, можно изменить тон). Бенджамин Франклин — известный изобретатель и государственный деятель периода становления США — использовал идею поющих бокалов, смастерив стеклянную гармонику. Этот музыкальный инструмент, ставший весьма популярным, состоял из стеклянных стаканов, прикрепленных к горизонтальному валу. Стаканы были расставлены по диаметру, крайним слева располагался самый большой стакан. Чтобы извлечь определенные ноты, музыкантам нужно было касаться влажными пальцами ободков стаканов, которые поворачивались с помощью ножных педалей.

Изобретались и другие причудливые инструменты, способные издавать звуки, если их потереть и заставить колебаться. Один из самых забавных — китайская латунная миска с водой. Если в нее налить немного воды, а ручки миски потереть сухими руками, она начинает колебаться так сильно, что капли воды подбрасываются вверх на полметра.

Может ли опытный певец разбить винный бокал или любой другой стакан только с помощью пения, как это представляется в комиксах и обыгрывается в комических скетчах и рекламных объявлениях?

ОТВЕТ • Винный бокал можно разбить, если его облучить мощной звуковой волной с частотой, соответствующей его самой низкой резонансной частоте, то есть самой низкой частоте, с которой бокал будет колебаться при ударе. На этой частоте ободок бокала колеблется так, как изображено на рис. 3.4. Когда колебания установятся, на месте микроскопического дефекта в стекле или в месте, где амплитуда колебаний максимальна, может появиться трещина, которая при периодических движениях расширится, а при пересечении ободка разветвится. И тогда бокал разобьется. Чтобы это произошло, мощный звук должен длиться не менее нескольких секунд.

Однако, похоже, проделать это с помощью не усиленного микрофоном человеческого голоса невозможно, поскольку человек не может выпевать одну ноту в течение нескольких секунд. И действительно, экспериментально было установлено, что без усилителя, лишь с помощью своего голоса, певцы разбить бокал не могут.

3.45. Журчание ручейков и шелест дождя

Что вызывает журчание ручья и звуки падающих на поверхность пруда капель дождя?

ОТВЕТ • Звук при ударе воды о воду, будь то в ручье, водопаде или во время ливня, образуется прежде всего за счет двух механизмов: сам удар вызывает изменения давления воздуха, которые распространяются во все стороны от места удара в виде звуковых волн. И в этот момент мы слышим резкий короткий звук. Но, кроме того, при этом ударе в воду часто попадает воздух и образует в ней пузырьки, которые колеблются в объеме и создают звук. Воздушные пузырьки «дышат» — увеличиваются и уменьшаются в объеме, а образующиеся при этом изменения давления распространяются сквозь толщу воды в воздух. В конце концов пузырьки воздуха либо схлопываются, либо всплывают и разрываются на поверхности воды, что приводит к дополнительным слабым звукам.

Когда вода при ливне или в водопаде ударяется о твердую поверхность, скажем, асфальт или скалу, вы можете услышать только звук удара, так как в этом случае пузырьки не образуются и не захватываются. В следующий раз, когда вы будете идти по улице и начнется ливень, прислушайтесь и попробуйте заметить разницу в звуках между первыми ударами капель по сухому асфальту и последующими их ударами по поверхности луж, образовавшихся на тротуаре.

Когда вы заполняете водой сосуд с вертикальными стенками типа стакана, банки или графина, частота звука, который вы при этом слышите, увеличивается. Почему?

ОТВЕТ • Столб воздуха внутри такой емкости (от открытого отверстия до поверхности жидкости или до дна) похож на трубу с одним открытым концом. Частотный диапазон шума от льющейся струи на поверхность воды (см. предыдущую задачу) очень широк. Одна из этих частот совпадает с самой низкой собственной частотой воздушного столба в сосуде. Это означает, что изменения давления на этой частоте входят в резонанс с собственными колебаниями в столбе воздуха, при этом звуковые волны усиливают друг друга, и в результате образуется мощная результирующая звуковая волна. Часть энергии этой волны выходит наружу, этот звук мы и слышим (он идет в основном на резонансной частоте, но можно услышать и слабые шлепки непосредственно от ударов струи воды).