Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Например, когда вы ведете ногтем по классной доске, ноготь сначала зацепляется за поверхность доски и сгибается, а потом внезапно соскальзывает и начинает скользить, при этом он колеблется и ударяется о поверхность. Звук, который вы слышите, исходит как от постукивания ногтя по доске, так и от колебаний, которые при постукивании устанавливаются в доске, выполняющей роль деки. Амплитуда движения внешней кромки ногтя наибольшая, а противоположной — наименьшая. Это движение очень напоминает движение раскачиваемого ветром дерева, да и частота колебаний, как у дерева, обратно пропорциональна длине (в данном случае ногтя). Поскольку ноготь короткий, частота его колебаний высокая, вот почему этот звук так действует на нервы.

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.

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.