Бруно Донат - Физика в играх

На такой гармонике из бокалов очень легко можно исполнять разные мелодии.

Когда вы будете вести пальцем по краям бокала с водой, вы увидите сверху, как поверхность воды колышется. Она непрерывно волнообразно движется. Волны эти очень малы, но можно заметить, что они сильнее в том месте, в котором находится палец. Волны идут поперек бокала к противоположной стороне, а под прямым углом к ним двигаются другие волны, тоже проходящие через центр.

Очень интересно наблюдать эту зыбь на зеркальной поверхности воды, и вы, конечно, понимаете, что она происходит от сотрясения стенок стакана, которое передается воде. Как только вы отнимете палец, пропадут и звук и зыбь.

Знаменитый американский ученый Бенджамин Франклин, открывший атмосферное электричество, изготовил когда-то довольно сложный музыкальный инструмент наподобие гармоники из бокалов. Он подобрал шестнадцать хорошо отшлифованных стеклянных чашек, просверлил в центре их отверстия и насадил на общую деревянную ось. Под ящиком, в котором были установлены эти стеклянные колокола, была вделана педаль, как у швейных машин. С помощью этой педали, двух шкивов и ремня можно было легко вращать ось с чашками.

От прикосновения мокрых пальцев к краям чашек звуки усиливались от нежного шепота до фортиссимо. Люди, слышавшие этот инструмент, уверяли, будто гармония его звуков была удивительно приятной. В 1763 году Франклин подарил свой инструмент англичанке мисс Девис в Филадельфии, которая показывала его в 1765 году сначала в Англии, затем во Франции и Германии, но с тех пор инструмент этот пропал бесследно.

Звуковые фигуры Хладни.В театрах, чтобы представить на сцене звон церковных колоколов, употребляют обыкновенно длинные стальные пруты или свободно висящие листы железа. Мы знаем уже о колебаниях струн и деревянных палочек, поэтому нам легко представить себе и колебания железных прутов. Что же касается железных плит, то здесь явление гораздо более сложное. Только благодаря интересным исследованиям физика Хладни мы имеем точные данные по этому вопросу. Вот как рассказывает сам Хладни о своих опытах:

«Я нигде не мог найти научного объяснения разного рода колебаниям и звучности тел. Между прочим, я заметил, что маленькая стеклянная или металлическая пластинка, подвешиваемая в разных точках, издавала различные звуки, когда я ударял по ней. Я захотел узнать причину этого различия звуков. Должен добавить, что тогда никто еще не производил исследований в этой области.

Я зажал в тиски латунный кружок от шлифовальной машины за находившийся посредине его шип и заметил, что скрипичный смычок заставляет его издавать различные звуки в зависимости от места, где прикасается смычок. Наблюдения Лихтенберга над узорами смоляной пыли, получающимися на стеклянных или смоляных пластинках под влиянием электричества, навели меня на мысль, что различные колебания моего кружка тоже обнаружатся, если посыпать его песком или чем-нибудь вроде этого. Когда я привел свою мысль в исполнение, то действительно получил при таких опытах звездообразные фигуры».

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.