Физика в играх - Бруно Донат

Если вы захотите повторить опыт Хладни, возьмите какую-нибудь стеклянную или, еще лучше, латунную квадратную пластинку со стороной сантиметров тридцать и толщиной 1–2 миллиметра. Неровная или надтреснутая пластинка для опыта не годится.

В центре пластинки просверлите отверстие диаметром 6 миллиметров. Чтобы пластинка могла звучать, ее надо прикрепить к чему-нибудь твердому только серединой. Привинтите ее к небольшой деревяшке, а деревяшку зажмите в тиски, привинченные к столу (рис. 45). Чтобы дать возможность пластинке свободно колебаться, под головку винта подложите предварительно плоский кусочек пробки. Покройте теперь пластинку черным лаком, хорошенько натрите смычок канифолью и медленно водите им, как показано на рисунке, вверх и вниз, осторожно нажимая. Может быть, не сразу, но вскоре вы вызовете чистый звук, правда не особенно приятный.

Сквозь сито насыпьте на пластинку мелкий песок. Насыпать постарайтесь поровнее, но не очень густо. Водите смычком по одному из краев пластинки, а пальцем другой руки дотроньтесь до противоположной стороны. На колеблющейся поверхности пластинки песчинки будут подпрыгивать, и наконец, когда звук пластинки установится, песок будет симметрично лежать на ней в виде какой-нибудь фигуры. Если вы держали палец посредине края пластинки, противоположного смычку, песок на ней ляжет двумя линиями так, что разделит пластинку на 4 квадрата. Если вы будете держать за угол пластинки, песок покроет ее по двум диагоналям.

Правильность фигуры зависит от чистоты тона, который дает пластинка. Если тон скрипучий, неприятный и неясный, фигура ясно не обозначается. Но зато, имея пластинку, дающую ясный и чистый тон, вы можете «рисовать» на ней фигуры удивительно точные и разнообразные.

Рис. 45

Фигуры образуются оттого, что не все точки пластинки колеблются от прикосновения смычка. Те участки, которые придерживаются пальцами, не двигаются, а другие быстро и сильно колеблются. Песок соскальзывает с колеблющихся точек и остается на неподвижных местах, образуя линии фигур.

Если вы будете нажимать на пластинку двумя пальцами на равных расстояниях от середины одной стороны (рис. 45), а смычком водить посредине противоположной стороны, вы получите фигуру, изображенную на том же рисунке. Наблюдая за фигурами при различных положениях пальцев на пластинке, вы заметите, что, как только меняется положение пальцев, изменяется звук и сейчас же изменяется расположение песка на пластинке.

Простые фигуры вызываются низкими басовыми нотами; более сложные образуются при высоких нотах.

Мы уже много говорили о звуковых колебаниях, и теперь нам нетрудно объяснить появление фигур Хладни.

Высокие звуки вызываются быстрыми колебаниями. Эти колебания могут совершать только малые колеблющиеся плоскости. Поэтому в них образуется большое количество неподвижных точек. Само собой понятно, что разные пластинки дают разные фигуры. Опыт можно производить не только с квадратной, но и с круглой и многогранной пластинками.

В нижней части рис. 45 показаны звуковые фигуры Хладни, полученные при опытах с квадратной пластинкой. Там показаны только самые простые фигуры из бесчисленного множества фигур, полученных Хладни. Чем выше тон пластинки, тем более сложной получается фигура и тем поразительнее скорость появления ее.

Поющая водяная струя. Два предшествовавших опыта требовали довольно много приспособлений. Зато опыт с водяной струей много проще. Найдите медную трубку диаметром 2 сантиметра и длиной 20 сантиметров, кусочек резины от игрушечного воздушного шара и еще один обрезок медной трубки длиной 3 сантиметра и диаметром 1,5 сантиметра. В длинную медную трубку впаяйте сбоку, отступя на 3 сантиметра от верхнего конца (рис. 46), заготовленную короткую трубку. Эта трубка нужна нам для надевания на нее воронки из картона.

Воронку с диаметром раструба 10 сантиметров склейте из картона. С узкой стороны ее приклейте ободок шириной 1,5 сантиметра и наденьте этим ободком воронку на выступающий конец тонкой трубки. Верхний конец толстой трубки немного расширьте, затяните его резиной и привяжите ее толстой шерстяной ниткой. Бортик на этой трубке нужен для того, чтобы резиновая перепонка не соскакивала с трубки.

Это приспособление установите на подставку так, чтобы конец трубки с резиновой пленкой — мембраной — был наверху. Трубку можно укрепить на подставке или с помощью шпенька, как показано на рис. 46, справа или просто врезать ее в подставку.

Рис. 46

Вот и все приспособление.

Чтобы понять действие прибора, вспомним самое обыкновенное явление, всякому известное: если чуть-чуть открыть кран какого-нибудь сосуда с водой, вода будет вытекать по капле. Попадая на бумагу, капля издает ясно слышный короткий звук. Капли обычно падают равномерно, через известный промежуток времени, и если бы они падали часто, то падение их вызывало бы приятный тон, так как звук образуется из частых ритмичных толчков воздуха.

Однако достигнуть такого быстрого падения капель, чтобы услышать тон, невозможно. Если вы чуть больше откроете кран, капли сольются в струю.

Но все же, пользуясь каплями, падающими из крана, можно проделать несколько интересных наблюдений.

Если вы будете поднимать бумагу или тонкий картон постепенно все ближе к крану, удары капель будут слышны все слабее и слабее, и на известной высоте их не будет слышно совсем. Наш прибор с резиновой мембраной действует так же, как бумага или кусочек картона, только это более тонкое приспособление. Каждый тихий удар по резине очень хорошо слышен потому, что он усиливается воронкой. Капли, падающие на резину, слышны во всей комнате, будто слабые удары молота по наковальне.

Но для нашего опыта нужны не капли, а тонкая струя.

Для получения струи воспользуемся стеклянной трубкой с узким отверстием на конце. Сделайте его так: трубочку (она должна быть диаметром 3 миллиметра) ровно обрежьте и подержите конец ее на огне спиртовой лампочки, слегка поворачивая до тех пор, пока стенки начнут плавиться и отверстие станет закрываться. Тогда выньте трубку из огня и быстро и сильно подуйте в нее. Таким способом вы получите круглое отверстие диаметром примерно 1 миллиметр (рис. 46, вверху).

Воду в трубочку пускайте из сосуда, установленного, например, на шкафу. Сквозь тонкое отверстие трубки пойдет довольно сильная струя. Трубку держите отвесно. Направьте струю на резину. Сначала шум падения струи будет довольно сильным, но, по мере того как вы станете приближать трубку к резине, громкий звук перейдет в глухой, и наконец струя станет падать беззвучно.

Теперь мы добрались до самого интересного в нашем опыте. Мы можем показать, насколько чувствительна струя ко всяким звукам, как под влиянием звука она даже рассыпается на капли. Особенно замечательно то, что струя распадается на капли в такт колебаниям звуков. Приложите, например, к стеклянной трубке ножку камертона ля, дающего 435 колебаний в секунду. Тогда капли на мембране будут петь в тон камертону и воронка настолько усилит их пение, что придется заткнуть уши.

Изобретатель этого прибора Александер Грейам Белл называл его водяным микрофоном. Это действительно микрофон, удивительно усиливающий слабые звуки.

Автор этой книги пытался заставить струю передать разговор. Для этого он приспособил к трубке, из которой вытекала вода, другую воронку и стал в нее говорить. Струя действительно «заговорила», но так неясно, грубо и таким ужасным голосом, что присутствующие поскорее заткнули уши.

Хорошо отрегулировав струю, можно дать возможность большой аудитории услышать тиканье карманных часов. Этот опыт показан на рисунке.

Пламя, отзывающееся на звуки. Это открытие сделано в 1857 году Леконтом. Послушайте, что он говорит об этом:

«Я был в одном обществе, которое собиралось послушать музыку. Исполнены были некоторые трио Бетховена на фортепиано, скрипке и виолончели. На стене комнаты, близ рояля, были зажжены два газовых рожка. Оба огня горели ярко. Окна были закрыты, и воздух совершенно спокоен.

Вскоре я заметил, что, как только начиналась игра, огонь рожков начинал колебаться. Колебания его согласовались со звуковыми колебаниями. Особенно заметны были колебания огня, когда усиливались звуки виолончели. Удивительно интересно было наблюдать, с какой поразительной точностью передавали огненные языки даже трели виолончели».

Мне тоже удалось однажды сделать очень интересное наблюдение в своем рабочем кабинете, который освещается газовой горелкой из пяти рожков. Когда я, сидя за письменным столом, разорвал довольно прочную бумагу, вдруг на одно мгновение в кабинете сделалось светлее. Сначала я думал, что это мне показалось, но каждая новая проба давала такие же результаты. Тогда я понял, что это явление происходит от восприимчивости огня к звуку. Я попробовал бренчать связкой ключей и убедился, что на этот звук отзывается только один из пяти рожков горелки. Когда эти четыре рожка были завинчены, огонь пятого стал еще восприимчивее. Это показывает, что давление газа имеет большое значение. Но не каждый вечер огонь одинаково отзывался на звуки.