Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей - Дмитриев Александр Сергеевич

Это фотография моей машинки, когда она работает и на воде образуются стоячие волны.

Это явление в природе можно иногда наблюдать, если следить за морем с высоты. Волны равномерно набегают на берег или скалу, отражаются от нее и бегут обратно, складываясь с другими набегающими волнами. Поскольку расстояние между гребнями примерно одинаковое, то иногда можно наблюдать, как создается интересная картина – на несколько мгновений волны как бы застывают, в одних местах вода качается вверх-вниз, в других она словно бы застыла. Но такое можно увидеть редко. И к тому же не все могут позволить себе поехать на море. И не у всех есть такие приборы, как у меня. Давайте же попробуем увидеть и пронаблюдать стоячие волны, прямо не выходя из комнаты.

Если у вас есть миксер (для взбивания кремов), то опыт получится. Возьмите большую пластмассовую миску. (А можно широкую пластиковую бутылку с отрезанным горлом.) Налейте в миску воды почти до краев. Теперь включите миксер, но не опускайте вращающиеся венчики в воду, а коснитесь ими снаружи стенки миски. Вибрация от миксера передастся воде, и вы увидите вдруг, как поверхность превратилась в дрожащую, но достаточно устойчивую картину. Каждая маленькая волна словно стоит на месте! Можно сделать еще проще, правда, волна будет неустойчивой, но само явление отражения от стенок будет достаточно ярким. Для этого я взял большую пластиковую бутылку, достаточно широкую, отрезал у нее верх и получил хорошую, достаточно упругую емкость. Налил в нее воды и стал ударять ложкой по краю. После удара возникает мгновенная волна, и на фото отлично видно, как «вздыбилась» поверхность воды, превратилась на миг в бурлящее море! Иногда всплески на гребнях так сильны, что из воды вылетают отдельные брызги – довольно далеко и высоко. Попробуйте сами, это забавно.

На фотографии видно, как поверхность воды на мгновение превращается в бурлящий и кипящий хаос. Это складываются и вычитаются волны, набегающие со всех сторон друг на друга.

В природе часто встречается стоячая волна, но увидеть ее непросто. А мы увидели.

18

Звуковая стоячая волна

Волна, которую мы пускали по веревке, почти ничем не отличается от волн, которые летают вокруг нас по воздуху и которые мы слышим как звуки. Во-первых, звуковые волны отражаются от препятствий. Поскольку волны отражаются обычно от препятствий, которые по размерам больше длины волны, то звуковые волны отражаются от больших стен, зданий, скал, обрывов. Кстати, чтобы получить хорошее эхо, надо встать на пригорке, обрыве, холмике так, чтобы впереди на расстоянии нескольких сотен метров была вертикальная преграда, достаточно большая для волны (рис. 1).

Рис. 1

Волна, которую вы создаете своим голосом, смодулирована, то есть, попросту говоря, она не гладкая. На ее поверхности есть еще и всякая рябь, и дрожь, и много каких других мелких волночек наложились – и все они почти без искажений отражаются назад. Поэтому мы и слышим эхо, «повторяющее» наши слова. На рисунке 2 видно, как волна, отразившись от стенки, летит нам в ухо, сохраняя свою форму.

Самое интересное, что для нас эхо – редкость и развлечение, а вот для летучих мышей и дельфинов – это способ «видеть» окружающее пространство. Дельфин бросает звуковую волну («кричит») и по отражению от предметов может найти стаю рыбы, плавающее судно, своих товарищей-дельфинов. Какая нам польза от стоячих волн и эха? Бывает ли, что эти физические явления спасают жизнь человеку? Бывает, и очень часто. Все космонавты и астронавты носят в скафандре специальный прибор, который использует оба эти явления. Полиция многих стран мира также использует этот прибор. Судьи на футбольных матчах не выпускают этот прибор изо рта. Догадались? Конечно же, свисток. Давайте рассмотрим, как происходит свист.

Рис. 2

Рис. 3

Воздух, как видно из рисунка 3, влетает в плоскую щель (1), частично заходит внутрь барабана, а частично ударяется об острый край специального выреза (2) и затем вылетает наружу, пересекая струю входящего воздуха (3).

Ухом мы слышим пронзительный свист – это означает, что в воздухе существуют колебания с высокой частотой. Воздух колеблется, как вода в нашем опыте с миской и миксером. Чем выше звук вообще, тем чаще колеблется воздух. Человек в среднем может слышать ухом колебания до 20 тысяч раз в секунду. Дальше уже начинаются области ультразвука, которые слышит собака, летучая мышь, – но не слышит человек.

Физические процессы, протекающие в свистке, если их описывать очень точно при помощи формул, весьма и весьма сложны. Но можно нарисовать простую схему, которая будет неплохо объяснять, что же там происходит. Посмотрим. Свисток можно представить в виде горлышка бутылки или длинной трубки, закрытой с одного конца. Если поднести бутылку к самым губам и сильно подуть вдоль отверстия, то часть воздуха будет заходить в бутылку, отражаться от дна и вылетать наверх, пересекая набегающую струю. Получатся три потока воздуха, которые я нарисовал рядом для наглядности (рис. 4): первый поток – прямо от губ вперед, над самым отверстием, второй – вниз, отражающийся от дна, и третий – наверх, пересекающий первый поток.

Рис. 4

Тот поток, что ударяется о дно и идет наверх, отражаясь как эхо, создает стоячую волну колебаний в бутылке, или в камере свистка. Первый поток, прерываясь колеблющимися ударами воздуха, летящего изнутри вверх, дает мощный поток колебаний воздуха во все стороны, который мы слышим как резкий свист.

Для усложнения этого красивого явления в некоторые камеры свистков кладут небольшие шарики. Они, попадая в колеблющуюся струю воздуха, сами начинают подпрыгивать – ведь любые колебания несут с собой энергию, мощь – и добавляют собственные прерывания потока в общую картину. Свист становится булькающим, прерывистым.

Другой вариант используется в дудках и флейтах. Зажимая пальцами отверстия дудочки или свирели, мы изменяем длину камеры – а вместе с ней изменяем и форму, размеры, параметры образующейся внутри стоячей волны. И это изменяет тон, высоту звука.

Сделаем простой опыт. Возьми пустую бутылку, поднеси к ней губы и с силой дунь поверх открытого отверстия. Ты услышишь (после нескольких попыток) гудок! Если же взять колпачок от фломастера, или пустую ручку без стержня, или кусок бамбуковой палочки, закрытой с одной стороны, – то ты услышишь свист, как в настоящем свистке. Кстати, мексиканские индейцы из таких бамбуковых трубочек разной длины собирают целый музыкальный инструмент, что-то вроде губной гармошки. И играют на нем очень интересные мелодии!