Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей

Дмитриев Александр Сергеевич

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!

Практический совет: возьми отрезок любой не очень толстой трубки, заткни его с одного конца кусочком ластика – вот тебе свисток на случай опасности.

19

Свистящая трава

Для опыта нам потребуются: ровная широкая травинка или узкая длинная полоска бумаги.

Если уж зашла речь про свист, посмотрим, как можно еще использовать колебания воздуха для получения громких звуков. Сорви ровную широкую травинку (будь осторожен – в наших краях растет осока, которой можно сильно порезать пальцы). Зажми травинку между большими пальцами рук, так чтобы оба ногтя располагались рядом и «смотрели» прямо на тебя. Травинка должна лежать между пальцами и быть слегка натянутой. Ты увидишь, что между пальцами образуется щель, которую разделяет травинка.

Поднеси теперь к этой щели губы и сильно дунь. Если тебе удастся натянуть травинку, слегка выпрямив пальцы, то ты услышишь сильный и довольно противный звук. Вроде как кошку ошпарили.

Наши старые знакомые, колебания, возникают от завихрений воздуха вокруг травинки – и мы слышим их как звук.

У меня получалось пищать даже через узкую и длинную полоску бумаги!

На фотографии видно, как зажимать полоску бумаги или травинку. Поэкспериментируйте с разными материалами. Главное, чтобы эта полоска была достаточно сильно натянута. Если сильно-сильно дунуть в щель между пальцами, полоска начнет вибрировать и издавать нужный звук.

20

Телефон из трубы или веревки

Для опыта нам потребуются: две пустые коробочки из-под йогурта, шило, две спички или зубочистки, длинная нитка.

Еще одно интересное свойство любых волн, над которым стоит задуматься: в разных веществах скорость волны изменяется. Например, звуковая волна в воздухе бежит со скоростью примерно 330 метров в секунду.

Но вот в воде звуковая волна бежит в несколько сотен раз быстрее, потому что вода – более плотная, чем воздух. Вообще, чем плотнее вещество, тем быстрее и дальше бежит по нему волна. Именно поэтому индейцы «слушали» землю, чтобы определить приближение стада бизонов или другого отряда индейцев. Топот копыт по земле передается дальше и лучше слышен, чем по воздуху.

Мы используем это свойство волн для того, чтобы сделать самодельный телефон из толстой нитки и двух пустых легких коробочек из-под йогурта.

Возьми две спички, проделай в дне каждой коробочки небольшую дырочку шилом, просунь туда длинную нитку и привяжи спичку так, чтобы она держала нитку и не давала ей выскочить наружу. Получится примерно как на рисунке.

На фотографии я показал, как привязывать нитку. Вместо спички я использовал зубочистку. Это неважно. Нужна просто палочка.

На этой фотографии видно, как в широкую пластиковую бутылку с отрезанным горлышком (я использовал ее вместо спичечного коробка) вставлена зубочистка с ниточкой. Ниточка выходит через дно наружу.

Когда мы соединим таким образом две коробочки из-под йогурта прочной ниткой, то получим две «телефонные трубки» и «телефонный провод». Можно взять любую другую коробочку. Она работает как усилитель звука, резонатор.