Налейте в миску воды и коснитесь ее поверхности ножкой звучащего камертона. На поверхности воды появится рябь. Ее гребни и впадины находятся в движении, колеблются то вверх, то вниз. Но есть и места, где уровень воды не меняется. Картина волн в целом стоит на месте. Такие волны называют стоячими. Они образуются от сложения волн, посылаемых ножкой камертона, с волнами, отразившимися от стенок миски.
Картину стоячих волн можно наблюдать и в хрустальном бокале, наполненном водой. Проведите по его краю мокрым пальцем, так чтоб он начал «петь». При определенной силе звука на поверхности воды возникнут стоячие волны, движущиеся от стенок, создавая в центре маленький бугорок.
Тот же опыт можно проделать даже с массивной кастрюлей из нержавеющей стали. Звук получится тоном ниже, а бугорок в центре временами будет напоминать фонтанчик.
Этим воспользовались древние китайцы, создав «магический таз». Отлитый из бронзы, он имел две ручки. Если их умело потереть, то в центре таза начинал бить фонтан высотою до трех метров. Сегодня подобные «магические тазы» шарлатаны применяют для предсказания судеб, хотя фонтанчик в центре таза — это обычное физическое явление, основанное на резонансе и интерференции волн.
В металлах звуковые волны распространяются со скоростью 3–5 км/с, их удается запечатлеть методом скоростной киносъемки, но для этого нужна дорогая и сложная аппаратура. Однако, распространяясь в твердых телах, они отражаются от их границ и, взаимодействуя друг с другом, образуют систему стоячих волн, которые тоже можно наблюдать.
Впервые это сделал немецкий физик Хладни в начале XIX века. Для этого он собрал прибор, представляющий собой бронзовую прямоугольную пластину, прикрепленную в центре при помощи винта к деревянной стойке (рис. 3).
Прибор служил украшением аристократических салонов и физических кабинетов. Пластину посыпали мелким песком, а затем, придерживая рукой, проводили по ее краю смычком скрипки.
Пластина начинала дрожать, издавая протяжный звук, и песчинки на ее поверхности выстраивались в замысловатые фигуры. По своей сути это картина стоячих звуковых волн, возникающих в твердом теле. Песок, находящийся в пучностях стоячей волны (максимальная амплитуда колебаний), скатывается и скапливается в узлах, где амплитуда колебаний минимальна. Картина колебаний становится видимой.
Прибор Хладни давно уже не выпускается. Но в одном из кружков его сделали из круглой стеклянной пластины от электроскопа. Если провести по ее краю точильным бруском, получается песочный крест с четкими границами.
Вообще для изготовления прибора Хладни нужна гладкая плоская пластина толщиною около 3 мм из металла, в котором долго не затухают звуки, например, стали или бронзы.
В воздухе заметить звуковые волны тоже непросто, поскольку он прозрачен. Но в местах сгущения и разрежения волн его оптические свойства чуть-чуть меняются. Глаз этого не замечает, но есть довольно сложные приборы, дающие изображение волн на экране.
Уже известный вам немецкий физик-экспериментатор Вихардт Поль нашел очень простой и изящный способ, позволяющий увидеть стоячие звуковые волны, распространяющиеся в комнате. Чтобы их создать, достаточно подключить громкоговоритель к школьному звуковому генератору. В зависимости от выбранной частоты колебаний длина волн может меняться от метров до сантиметров. Длинные волны неудобно наблюдать, очень короткие — плохо воспроизводит громкоговоритель. Лучше всего подать на него частоту 5 — 10 кГц.
Наблюдать волны можно на поверхности воды в ванночке с прозрачным дном. Осветив ее снизу лампочкой карманного фонаря, вы получите на потолке яркий рисунок стоячих звуковых волн. Его четкость повысится, если вы добавите в воду немного жидкости для мытья посуды. Она снижает поверхностное натяжение воды и заметно усиливает впадины и выступы на ее поверхности.
Картина стоячих звуковых волн в комнате довольно замысловата и меняется в окрестностях каждого предмета. На рисунке 4, взятом из книги В.Поля, вы видите «звуковой отпечаток» руки, поднесенной к волновой ванне. В. Поль полагал, что примерно так «видят» мир своими ушами летучие мыши, которым звук заменяет свет.
Г.ТУРКИНА, А.ИЛЬИН
Рисунки А.ИЛЬИНА
Рис. 4
ПОЛИГОН
Насос и солнце
Поливать сад или огород, таская воду ведрами из ближайшего водоема, — работа нелегкая. Но ее можно избежать, сделав насос, настолько простой по конструкции, что практически все его детали можно найти, как говорится, в хозяйстве. А чтобы лучше разобраться в его работе, предлагаем поставить простой эксперимент.