Глава вторая Опыты со звуком

Глава вторая Опыты со звуком

Некоторые сведения о звуке. Наше ухо — удивительно тонкий инструмент, воспринимающий звуковые явления. Каждое вызванное хотя бы легким толчком воздуха колебание тонкой кожицы, так называемой барабанной перепонки, туго натянутой в ухе, воспринимается нами как звук.

Но каким образом мы слышим, например, выстрел из пушки, произведенный на расстоянии нескольких километров от нас? Как и каким путем он достигает уха? Почему мы слышим звук от выстрела лишь через некоторое время после того, как он произведен? Почему, наконец, выстрел вблизи слышен громче, чем отдаленный?

Все эти вопросы нетрудно разрешить, если мы восстановим в своей памяти все, что говорилось в беседе о воздушных шарах и летательных аппаратах.

Пространство между предметами, находящимися на поверхности земли, не пустое. Оно заполнено смесью прозрачных газов, которую мы называем воздухом. Воздух состоит из бесчисленного множества мельчайших частиц газов, таких крошечных, что их невозможно рассмотреть в самый сильный микроскоп. Значит, это бесчисленное множество частиц газа заполняет пространство между пушкой и нашим ухом. Когда из дула пушки с силой вылетают пороховые газы, они дают толчок ближайшим частицам воздуха, эти частицы толкают следующие и т. д. Эти толчки, постепенно передаваясь от частицы к частице во все стороны, достигают также и барабанной перепонки нашего уха. И как только эти толчки, последовательно переданные мельчайшими частицами газа, достигнут барабанной перепонки, мы тотчас же услышим звук.

Пространство между ухом и телом, издающим звук, можно сравнить с площадью, плотно заполненной людьми. Представьте, что каждый человек — это мельчайшая частица воздуха. Допустим, что через эту толпу необходимо передать какое-либо поручение от человека, находящегося в одном конце площади, к человеку, который стоит на противоположном конце той же площади. Проще всего первому лицу передать это поручение стоящему впереди, тот в свою очередь передает следующему, и таким образом поручение придет по назначению.

Представьте себе, что это поручение состоит всего лишь в передаче маленького толчка. Ведь для передачи этого поручения все могли бы остаться на своих местах и каждому человеку пришлось бы последовательно одному за другим слегка качнуться, и толчок был бы передан толпой значительно скорее, чем гонцом, который был бы послан по тому же пути.

Такое же явление наблюдается в воздухе. Мельчайшие частицы воздуха не летят от звучащего тела к уху, а только передают толчки соседям, эти следующим и т. д.

Сила толчка, передаваемого через толпу людей, может не только не уменьшиться из-за большого расстояния, но даже увеличиться, если кто-нибудь, недовольный беспокойством, передаст его соседу сильнее, чем получил сам. Но с частицами воздуха дело обстоит иначе. Они безжизненны и хорошо передают толчок, но он постепенно все больше и больше ослабевает в пути, хотя бы уже по одному тому, что каждая частица должна толкнуть соседей по всем направлениям, и, следовательно, сила толчка, воспринимаемого каждым соседом, становится все слабее и слабее. Вот почему сила звука постепенно уменьшается по мере нашего удаления от источника звука.

Если бы даже звук распространялся только в одном направлении, прямо к нашему уху, то и тогда бы он был значительно слышнее вблизи пушки, чем вдали от нее. Но звук распространяется во все стороны, и вследствие этого еще больше ослабляется сила толчков по мере увеличения расстояния от пушки. Если отойти от пушки на расстояние в 2 раза большее, мы услышим звук выстрела в четыре раза слабее, если отойти на расстояние втрое большее, звук выстрела будет слабее в 9 раз, если вчетверо, то в 16 раз слабее и т. д.

О скорости распространения звука. Толчок, данный ближайшим частицам воздуха, постепенно передается во все стороны, и как человеку нужно некоторое время для того, чтобы передать поручение соседу, так и на передачу звуковых колебаний от одной частицы воздуха к следующей уходит некоторое время. Найдено, что звук распространяется в воздухе со скоростью приблизительно 333 метров в секунду.

Вам, может быть, интересно, как измеряют скорость звука? Это можно сделать различными способами.

Один из способов состоит в следующем.

Если на каком-нибудь большом расстоянии следить за выстрелом ружья или пушки, можно заметить, что мы значительно раньше видим огонь из дула, чем слышим звук выстрела. Это значит, что свет проходит гораздо большее расстояние в секунду, чем звук. Скорость света во столько раз превосходит скорость звука, во сколько примерно скорость курьерского поезда превосходит скорость движения часовой стрелки по циферблату. Поэтому мы можем считать, что выстрел произошел в то самое мгновение, когда глаз воспринял свет пламени из дула. Звук заставляет себя ждать и будет услышан тем позднее, чем больше расстояние между пушкой и нами. Если расстояние известно, то простое измерение промежутка времени между появлением огня в пушке и звуком выстрела позволит нам вычислить скорость распространения звука.

Как измерить расстояние, не пользуясь линейкой? Предположим, что вы гуляете с приятелем и на некотором расстоянии от вас находится железнодорожный мост. Спросите приятеля, может ли он довольно точно определить на глаз, на каком расстоянии находится этот мост. Ваш спутник подумает и скажет, что он может ошибиться, определяя расстояние на глаз, пожалуй, на несколько сот метров. А вы можете уверенно заявить, что беретесь определить это расстояние без всякого инструмента с очень большой точностью.

Как это можно сделать? Очень просто. Заметьте по секундной стрелке часов время, когда первые колеса паровоза войдут на мост; заметьте также, сколько секунд прошло до того времени, когда вы услышали въезд поезда на мост. Далее, зная, что скорость распространения звука в воздухе равна 333 метрам в секунду, вы сейчас же можете высчитать расстояние до моста. Если, скажем, этот промежуток времени был равен 6 секундам, то, помножив 333 на 6, мы сразу узнаем, что расстояние до моста равно 1998 метрам.

Так как скорость распространения звука несколько зависит от температуры и влажности воздуха, нельзя ручаться за совершенную точность результатов. Лучше округлить полученное число до 2000 метров. Но даже эта точность измерения после проверки вызовет удивление вашего приятеля.

Если на ваших часах нет секундной стрелки, приложите часы к уху и считайте секунды. Почти все карманные часы отбивают ¹/₅ долю секунды, и если считать так: О^2,3,4,5; 1^2,3,4,5. 2^2,3,4,5. 3^2,3,4,5. 4^2,3,4,5 и т. д., то можно узнать не только секунды, но и пятые доли их. Разумеется, счет надо начинать с нуля. При счете 1 проходит первая секунда, при счете 2 — вторая, при счете 3 — третья и т. д. Не удивляйтесь, что секунда длится дольше, чем это обычно кажется неопытному наблюдателю.

Случаев для определения расстояния по звуку найдется много: например, свисток паровоза (когда виден пар от свистка), играющий оркестр (начало музыки заметно по движению дирижера), плотник, рубящий топором, и т. д. С большой точностью можно определить расстояние до грозовых разрядов, если сосчитать секунды между вспышкой молнии и первым ударом грома.

Не обязательно, чтобы тот или другой предмет сам издавал звук. Если звук, изданный предметом, возвращается, например, в виде эха, вы тоже можете определить расстояние от предмета. Предположим, что с момента возникновения звука и первым ясным его эхом как раз пройдет 3 секунды. Значит, звук прошел туда и обратно 333 х 3 = 999 метров, или — округленно — 1000 метров, а следовательно, предмет, отразивший голос, находится от нас в 500 метрах.

Как произвести звук, чтобы услышать его дважды? Звук распространяется не только через воздух, но и через все газообразные, жидкие и твердые тела. Только скорость распространения и сила звука при этом не одни и те же. Через некоторые газы и через все жидкие и твердые тела звук распространяется скорее, чем через воздух. В самом легком известном нам газе — водороде — звук проходит в секунду 1286 метров, то есть почти вчетверо больше, чем в воздухе. В воде скорость звука равна 1400 метрам, в дереве — 3300 метрам и в железе — 5000 метрам в секунду.

Пользуясь хорошей звукопроводностью воды, определяют наличие подводных лодок в море или, подслушивая через воду шум винтов, обнаруживают ход судна, еще находящегося за горизонтом. На берегах прудов, в которых разводят карпов, часто устанавливают колокол, и карпы приплывают на звон колокола, зная, что в это время их кормят. Значит, звук проходит из воздуха в воду. Если бы колокол был помещен в воде, вода затрудняла бы раскачивание языка колокола, и звук получился бы очень слабым.

Однако мы отклонились от темы. Как же издать звук так, чтобы услышать его дважды? Гуляя, вы заметите где-нибудь длинный железный решетчатый забор. Чем длиннее забор, тем лучше. Оставьте вашего спутника у начала забора, а сами пройдите вдоль него шагов сто двадцать, приложите ухо плотно к железному пруту забора и попросите вашего спутника сделать по решетке сильный и короткий удар. Прежде всего вы увидите, как он ударит, а затем услышите звук двух ударов, быстро следующих один задругам. Может быть, вы решите, что это вам показалось, но при повторном опыте всякое сомнение исчезнет. Вы действительно слышите два звуковых удара.

Так же просто, как и опыт, его объяснение.

От тела, вызвавшего звук, толчки дошли до уха двумя путями: через воздух и железо. Через железо звук распространяется очень быстро (5000 метров в секунду), а через воздух значительно медленнее (333 метра в секунду). Это и вызывает два коротких звуковых раздражения. Если вы отошли от места на 100 метров, первый звук, распространившийся по железу, дойдет до вашего уха через 0,02 секунды, а второй — через 0,3 секунды. Разница в 0,28 секунды явственно ощущается ухом.

Звук передается твердыми телами не только быстро, но и хорошо. Этим свойством пользуются заключенные, ведя стуком переговоры между камерами.

Один англичанин так воспользовался свойством елового дерева очень хорошо передавать звук. Он поставил в подвале рояль и еловым шестом соединил деку рояля с комнатой верхнего этажа. В верхнем этаже шест проходил через пол и передавал звуки рояля, когда к нему прикладывали деку скрипки. Музыка, совершенно не доходившая прежде из подвала, была так хорошо слышна, будто рояль находился в комнате.

Позднее физик Тиндаль заменил скрипку арфой, тоны которой больше подходят к роялю, и все присутствующие были поражены результатами: струны арфы издавали звуки, как будто под ударами невидимой руки, и многие суеверные люди думали, что это действуют духи.

В маленьком масштабе подобный опыт можете повторить и вы.

Возьмите деревянный шест длиной 2–3 метра и пропустите его через деревянную стену или дверь какого-нибудь сарая. Отверстие должно быть больше толщины шеста. Шест не должен прикасаться к деревянной двери или стене, оберните его ватой или войлоком и тогда вставьте в отверстие. Вдвиньте шест так, чтобы концы его были одинаковой длины с обеих сторон. Если к одному концу шеста вы приложите часы, а к другому концу деку скрипки, гитары или просто тонкую доску, — тиканье часов будет слышно громко и ясно.

Дешевый телефон. Зная свойство звука хорошо распространяться по твердым телам, можно устроить очень простой и дешевый телефон. Конечно, сравнить его с электрическим нельзя, но на небольшом расстоянии он будет все же отлично передавать звуки.

Склейте из картона два небольших стакана, донышки их проткните в центре, проденьте сквозь них тонкий крепкий шнур и закрепите его на дне стаканов деревянной палочкой. Длина шнура может быть более 20 метров. Участники разговора получают по стакану и расходятся, насколько позволяет шнур. Теперь, если один из участников будет говорить в стакан, а другой приставит свой стакан к уху, то даже тихо произносимые слова будут отлично слышны (рис. 34). Звук проводится шнуром хорошо только тогда, когда шнур натянут.

Рис. 34

Рупор. Мы уже знаем, что воздух состоит из многочисленных отдельных частиц. При возникновении звука частицы воздуха, находящиеся около звучащего тела, передают толчки соседним частицам, которые толкают следующие, и т. д., и таким образом звук доходит до нашего уха.

При разрежении воздуха расстояния между частицами увеличиваются, и передача толчков, а значит, и звука ослабляется. В безвоздушном пространстве звук передаваться вообще не может. У кого есть воздушный насос, тот легко может в этом убедиться.

Возьмите, например, электрический звонок и положите его под колпак воздушного насоса. Звонок нужно положить на небольшую подушечку, чтобы звук его не передавался наружу через стол. Включите ток и, пока звонок работает, начните выкачивать воздух. Сначала звон будет сильным, потом станет тише и наконец будет едва слышен, как будто звонок звонит далеко и еле-еле работает, хотя на самом деле вы видите частые удары молоточка, которые показывают, что звонок действует.

Частицы воздуха напоминают по своим свойствам упругие мячики. Поэтому, пользуясь обычным резиновым мячом, можно получать некоторые явления, похожие на те, которые происходят в воздухе при передаче звука его частицами.

Сделайте, например, пометку мелом на стенке, на высоте вашего роста, прямо против себя, и с силой бросьте мячик в стену. Он вернется по тому же направлению, по которому был брошен. Если вы отойдете в сторону от пометки на стене и бросите в нее мячик, он отскочит в противоположную от вас сторону. Можно заранее сказать, в каком направлении он отскочит от стены. Если восставить перпендикуляр из точки удара мячика о стену и измерить угол, под которым мячик ударился, можно заметить, что он отскочил от стены под тем же углом к перпендикуляру. Первый угол называется углом падения, а второй — углом отражения. Поэтому физики говорят, что угол падения равен углу отражения (рис. 35, внизу). Этому же закону подчиняется и звук.

Рис. 35

Явление отражения звука навело на мысль построить такие инструменты, при помощи которых звук можно передавать на большие расстояния. Мы знаем, что звук распространяется во всех направлениях и поэтому очень быстро ослабевает. С помощью рупора мы можем направить звук большой силы в одном определенном направлении. Сотни лет искали наилучшую форму рупора, но оказалось, что, какую бы фигуру ему ни придавали, он не получается много лучше простого рупора, который легко сделать самому.

Склейте из картона коническую трубу длиной примерно 1 метр так, чтобы диаметр раструба получился 15–20 сантиметров и узкий конец конуса имел отверстие диаметром сантиметра три. К этому концу рупора приклейте небольшую воронку так, чтобы ею удобно было закрывать рот. Когда рупор высохнет, приложите рот к воронке, а раструб направьте в ту сторону, куда хотите направить звук. Стенки рупора не дадут рассеяться звуку во все стороны, и сила звука будет ослабевать с расстоянием значительно меньше, чем без рупора.

Рис. 35 показывает, как благодаря рупору звуковые колебания, отражаясь от его стенок, распространяются по направлению параллельному оси рупора. С помощью хорошего рупора длиной 2 метра можно разговаривать на расстоянии в километр, а при тихой погоде, да еще ночью, даже дальше.

Звук так хорошо распространяется в трубах, что часто в учреждениях устраивают очень простую связь: из одного помещения в другое проводят трубу и разговаривают по этому примитивному телефону.

Часто на небольших морских и речных судах капитанский мостик и помещение рулевого связаны трубами с машинным отделением. Да и между каютами иногда прокладывают такой примитивный, но очень надежный телефон.

Искусственный гром. Для этого опыта вам не нужно никаких электрических приборов. Все заменит кусок бечевки. Приложите один кусок бечевки к уху и попросите товарища отойти с другим концом ее и довольно сильно натянуть. Теперь, если ваш товарищ будет очень тихо ударять по бечевке пальцами, вы услышите как бы стук дождевых капель о раму окна. Если он будет водить по бечевке гвоздем, вам послышится завывание бури. Если же ваш помощник будет катать шнур между пальцами, вы ясно услышите раскаты грома. При легком подергивании бечевки получается впечатление боя часов.

Попробуйте привязать бечевку к железным щипцам, которыми берут уголь из печи, приложите концы бечевки к ушам и стукните щипцами о ножку стола или какой-нибудь металлический предмет (рис. 36). Что вы услышите?

Рис. 36

Акустические обманы. Слух, как и другие наши чувства, иногда обманывает нас. Можно ошибиться и в силе звука, и в исходной точке его. Раскаты грома так могущественны, что мы затрудняемся сравнивать их с каким-нибудь другим шумом, и все-таки гром можно совершенно заглушить, комкая бумагу у самого уха. Это не значит, конечно, что комканье бумаги громче грома. Просто настолько велика разница в расстояниях, что звук комканья бумаги воспринимается нами сильнее страшных раскатов грома.

Очень часто бывают ошибки в определении направления звука. Часто, услышав эхо, можно подумать, что именно в той стороне, откуда послышалось эхо, находится человек. Торопясь к трамваю, мы часто зря бежим, чтобы успеть сесть в него. Представьте себе, что вы идете по улице, упирающейся в другую, по которой проложена трамвайная линия, как показано на рис. 37.

Рис. 37

Вы слышите приближение трамвая, решаете, что он идет слева, торопитесь добежать до угла. В большинстве случаев вы ошибаетесь: оказывается, что он идет справа. Бывает и наоборот: если вам нужно сесть в трамвай, идущий справа, левый трамвай вводит вас в заблуждение. Объясняется это очень просто. Вы идете по правой стороне улицы, и трамвай приближается справа. Он скрыт от вас углом дома, и вы его не видите, но слышите. Звук в этом случае попадает в ухо не прямым путем. Мы знаем, что звук распространяется во все стороны. Каждое из этих направлений мы можем назвать звуковым лучом.

Рассмотрим один из звуковых лучей, исходящих от движущегося трамвая (на рисунке он обозначен жирной чертой). Сначала луч звука падает на сторону А улицы, по которой идет трамвай. От этой стороны, по известному уже нам закону, он отражается и попадает на сторону Б. Отразившись и от нее, он достигает нашего левого уха. Поэтому вы думаете, что трамвай идет с левой стороны, так как мы привыкли считать, что звук исходит от тела, находящегося на линии звукового луча.

Говорящие фигуры. Для этого опыта нам нужны два вогнутых зеркала. Их нетрудно сделать самому. Так как зеркала эти будут служить только для опытов со звуком, их можно сделать из папки. Блеск этим зеркалам не нужен, и особенной точности тоже не требуется.

Если вы представите себе вогнутое зеркало, рассеченное через центр пополам, то, очевидно, линия разреза будет дугой, радиус которой будет равен радиусу того шара, часть которого составляет вогнутое зеркало. Если вы захотите сделать вогнутое зеркало с радиусом 1 метр (этот размер как раз хорош для нашего опыта), возьмите кусок картона длиной сантиметров семьдесят и метровый шнурок. Начертите на картоне дугу так, чтобы захватить ею всю длину картона (рис. 38, А). Вырежьте аккуратно эту часть круга, и у вас получится так называемый шаблон.

Достаньте непроклеенный картон и нарежьте из него 12–15 узких равнобедренных треугольников, длинная сторона которых должна равняться примерно 35 сантиметрам. Сшейте эти треугольники (рис. 38, Б), время от времени прикладывая к ним шаблон. Добейтесь того, чтобы они образовали вогнутое зеркало, примерно соответствующее шаблону. Для этого сначала из этих сшитых треугольников получаем очень плоское коническое зеркало. Чтобы придать ему необходимую нам округлую форму, намочите картон и, когда он размокнет, растягивайте его, нажимая большим плоским блюдом и руками до тех пор, пока поверхность не станет такой вогнутой формы, какая нам нужна. Все время прикладывая шаблон по разным направлениям, добейтесь того, чтобы зеркало получилось правильной формы.

Готовое мокрое зеркало положите сушить в тени, подложив под него тряпки, чтобы картон не провис. Если хотите сделать зеркало не такое большое, например диаметром 30–40 сантиметров, его можно сделать из одного куска картона, вырезав круг диаметром 45 сантиметров, и, намочив, вытянуть его по шаблону.

Очень хорошее зеркало можно сделать из гипса. Шаблон этого зеркала нужно сделать из доски, но взять не вогнутую сторону, а выпуклую. В середине этой выпуклой части шаблона вбейте гвоздь. Откусите головку этого гвоздя и заострите его (рис. 38, В). Затем вырежьте из толстого картона круг такого диаметра, каким должен быть диаметр зеркала, например 50–60 сантиметров. По краям круга пришейте борта из папки 10–15 сантиметров вышиной. Все щели замажьте глиной или замазкой. В эту форму налейте гипс, смешанный с небольшим количеством клея, замешайте немного и, когда масса сделается тестообразной, вставьте шаблон в центр дна и вертите его. Шаблон соскребет излишек гипса, а оставшийся гипс остынет и образует выемку по форме шаблона.

Когда гипс окончательно засохнет, вы получите замечательное вогнутое зеркало. Только не сушите его около печки или на солнце, потому что при быстрой сушке на гипсе получаются трещины.

Для нашего опыта нужны два одинаковых вогнутых зеркала. Повесьте их в двух комнатах, точно друг против друга, так чтобы между ними приходилась дверь. Если зеркала большие, расстояние между ними можно взять до 10 метров. В фокусе одного зеркала поставьте какую-нибудь куклу и объявите присутствующим, что эта маленькая особа может говорить и отвечать на вопросы.

Фокус вогнутого зеркала находится как раз против центра его, то есть против самого глубокого места, на расстоянии половины радиуса изгиба (рис. 38, /), то есть на расстоянии половины того радиуса, которым чертился шаблон. Если вы чертили шаблон радиусом 1 метр, значит, фокус зеркала находится на расстоянии 50 сантиметров от центра его.

Рис. 38

Звуковые лучи, исходя из центра той шаровой поверхности, часть которой составляет наше зеркало, падают на зеркальную поверхность, каждый перпендикулярно к ней, и отражаются обратно в тот же центр. Если же звучащее тело находится в точке, расположенной несколько ближе к зеркалу, то идущие от него звуковые лучи, отражаясь, соберутся в точках более удаленных от зеркала, чем его центр. А если исходная точка звуков будет совпадать с фокусом зеркала, то, отразившись, они пойдут параллельно главной оси зеркала и, попав на противоположное вогнутое зеркало, отразятся уже от этого второго зеркала и соберутся в его фокусе, который находится тоже на расстоянии полурадиуса от середины зеркала.

Чтобы скрыть другое зеркало от зрителей, завесьте открытую дверь кисеей или тонкой простыней — они отлично пропускают звуковые волны. Лучше всего производить опыты вечером, тогда вы можете осветить ту комнату, в которой находится кукла, а смежную не освещать. Зеркала должны обязательно висеть точно одно напротив другого. Установить их нелегко, так что перед тем, как показывать этот опыт собравшимся, проверьте, правильно ли висят зеркала, иначе может получиться конфуз.

Если вам никто не помогает при установке, можно повесить в фокусе одного зеркала часы, а тиканье их слушать у второго зеркала в другой комнате.

Фигурку установите так, чтобы голова ее была в том месте, где лучше всего слышно тиканье часов. Это будет как раз в фокусе зеркала. Но при опыте вам все-таки необходим помощник. Пусть он станет у фокуса зеркала, висящего в темной комнате, и слушает все, что будут говорить фигурке на ухо. Он же должен и отвечать на все вопросы, тихо говоря в фокус зеркала, и тогда задавший вопрос услышит ответ, держа ухо у головы фигурки. Получается такое впечатление, что действительно говорит кукла, и никто из присутствующих наверняка не сможет объяснить, в чем тут секрет.

Чтобы ваш помощник, сидящий в темной комнате, не ошибся и не дал ответ не в фокус зеркала, установите небольшой рупор, через который можно будет и разговаривать и слушать. Рупор, голова и плечи человека, подходящего к зеркалу, мало помешают распространению звуковых лучей.

Волчок как акустический инструмент. В начале этой книги мы рассказывали, как проделать опыты с волчком. Тогда мы заставляли его вращаться в самых удивительных положениях, а сейчас воспользуемся им как музыкальным инструментом. Только для этого опыта нужен волчок особенно тяжелый. Может быть, какой-нибудь знакомый токарь выточит вам такой волчок по нашим рисункам (рис. 39).

Рис. 39

Ось можно сделать медную, заострить и немного закруглить конус внизу Самый диск волчка лучше всего сделать из какого-нибудь тяжелого металла, например олова или свинца. Диск надо обязательно выточить на токарном станке. Сверху оси волчка надо просверлить в центре углубление точно по оси. К этому углублению подберите подходящий отрезок стальной проволоки и вставьте его в деревянную ручку. Подставку можно сделать из дерева, только сверху, там, где будет вращаться конец оси волчка, вставьте медный подшипник, а низ подставки, чтобы она не скользила, оклейте сукном. Чем точнее сделаны все части волчка, тем дольше он вращается и, значит, тем лучше получаются опыты с ним. Волчок этот запускается шнурком, как показано на рис. 40.

Обратите внимание на то, что над диском волчка, по обе стороны оси, должны быть вставлены два маленьких штифтика. Они нужны для того, чтобы устанавливать на волчке различные круги, которые составляют акустический аппарат волчка.

Рис. 40

Вырежьте ножницами из жести или тонкого листа меди два правильных круга с тремя отверстиями посредине: одно в центре — для оси волчка, и два маленьких по бокам — для штифтов. На окружности одного из этих кружков выпилите напильником зубцы самой разнообразной величины без всякого определенного порядка, как показано на рис. 41, А. Но острия всех зубцов должны доходить до наружного края.

На другом кружке сделайте зубцы как можно точнее (рис. 41, 5), глубиной 2–3 миллиметра. Если последний зубец выйдет немного больше или меньше остальных, это не беда — один зубец дела не испортит.

Вы уже знаете, что всякое звучащее тело сообщает толчки частицам воздуха, и эти толчки передаются затем нашему уху. Ряд таких отдельных одинаковых толчков воспринимается нашим ухом в виде сплошного звука лишь в том случае, если они следуют один за другим достаточно часто. Как бы вы ни торопились бить палкой по барабану или карандашом по кусочку картона, все же отдельные удары будут слышны.

При помощи наших зубчатых кружков можно ударять по картону с такой частотой, что отдельные удары нельзя будет различить.

Положите на волчок кружок с беспорядочно выпиленными зубцами и приложите к нему кусочек очень плотного и тонкого картона (рис. 41, А). Вы услышите отвратительный, визгливый скрип.

Рис. 41

Не то получается с другим кружком. Равномерные удары его правильных зубцов о картонку, сливаясь, вызывают одну музыкальную ноту (так называемый тон), сначала высокую, а затем, по мере замедления хода волчка, все более и более низкую.

Может быть, вам интересно знать, сколько последовательных равномерно следующих толчков сливается в нашем ухе в одну музыкальную ноту и в какую именно? 16 толчков в одну секунду уже сливаются в низкую, густую ноту, а 435 колебаний в секунду дают тон ля.

Это та самая нота, на которую настраивается вторая скрипичная струна.

Еще интереснее знать наибольшую частоту колебаний, которую может воспринимать наш слух. Надо заметить, что с увеличением числа колебаний в секунду после известного предела одновременно с повышением тона идет ослабление восприятия нами звука.

При самом высоком тоне рояльной струны она совершает 5000 колебаний в секунду, 20 ООО колебаний в секунду производят едва слышимый нами звук, а 35 ООО колебаний может уловить только редкий слух. Большее число колебаний наше ухо уже не воспринимает.

Однако мы забыли про наш волчок, а он между тем может еще потешить нас музыкальными звуками гаммы и аккордами. Только для этого надо сделать еще один кружок, так же как и первые два из жести или меди или даже из хорошего картона (рис. 42, А). Сделать его нетрудно, только надо знать размеры. Такой же кружок, как и первый, разделите радиусами на 6 равных частей и прочертите на нем 4 круга, каждый раз уменьшая радиус на одну и ту же величину, чтобы все промежутки между окружностями были равны. На внутреннем круге сделайте 12 дырочек, на втором — 15, на третьем — 18, а на наружном — 24. Диаметр отверстий должен быть 2–3 миллиметра. Только не протыкайте их шилом, а выбейте просечкой и вообще постарайтесь изготовить круг очень тщательно.

С помощью этого кружка можно сообщить воздуху правильные, следующие друг за другом толчки — значит, вызвать музыкальный тон. Для этого во время вращения круга нужно дуть в один из рядов отверстий. Струя воздуха то пропускается через отверстия, то задерживается промежутками. Это дает часто следующие друг за другом толчки, то есть тон. Струю воздуха направьте на круг через оттянутую с одного конца и загнутую под углом стеклянную трубочку, как показано на рис. 42, Б.

Если волчок вращается со скоростью 6 оборотов в секунду, первый ряд дырочек даст нам 6 х 12 = 72 колебания; второй — 6 х 15 = 90 колебаний; третий — 6 x 18 = 108 колебаний и четвертый — 6 х 24 = 144 колебания в секунду. Такой волчок с продырявленными дисками называется сиреной Савара. Наша сирена может издавать правильные аккорды из трех нот. Для этого надо только еще одно приспособление.

Возьмите тонкую медную трубку и один конец ее запаяйте. Сбоку трубки просверлите четыре отверстия на таком же расстоянии одно от другого, на каком находятся круги с дырочками на сирене. К этим четырем отверстиям припаяйте по маленькому отростку трубки. Когда на открытый конец этой металлической трубки вы наденете резиновую трубку и будете дуть сквозь четыре тоненьких отростка на вращающийся круг сирены, держа трубку так, чтобы воздух из тоненьких трубочек попадал сразу на все круги с дырочками, вы услышите правильные аккорды, высокие или низкие, в зависимости от скорости вращения волчка.

Рис. 42

Тот, кто знаком с музыкой, может с помощью волчка наблюдать очень интересные явления. Можно сделать, например, не четыре ряда дырочек, а восемь — получится чудесная гамма. Для этого на восьми окружностях надо расположить дырочки в таком порядке: первый ряд — 24, второй — 27, третий — 30, четвертый — 32, пятый — 36, шестой — 40, седьмой — 45 и восьмой — 48 дырочек. Гамма состоит из семи тонов, числа колебаний которых в одну секунду относятся как ряд этих чисел. Это показано в следующей табличке, в которой имеются и общеизвестные названия тонов в гамме:

Изготовленный волчок позже пригодится нам еще для оптических опытов.

Звучание струн. Всякое быстро колеблющееся тело издает звук. Вы знаете, что колеблющиеся натянутые струны издают музыкальный тон.

Возьмите натянутую струну посредине пальцами, оттяните ее чуть-чуть в сторону и отпустите. Упругая струна быстро вернется в свое прежнее положение, но по инерции перейдет через него дальше, затем снова отклонится в ту сторону, куда вы ее раньше оттянули, и будет колебаться так некоторое время, все с меньшим и меньшим размахом, пока, наконец, не успокоится.

Колебания струны вызвали толчки воздуха, следующие очень быстро один задругам. Эти толчки сливаются в нашем ухе в один звук, но такой звук струны очень слаб, и, чтобы усилить его, струны натягивают на тонкостенные деревянные ящики. Дерево хорошо воспринимает все колебания и передает их воздуху уже большей поверхностью. Поэтому все струнные инструменты — скрипка, рояль, балалайка, арфа — делаются из дерева. Оно обладает замечательной способностью одинаково хорошо воспринимать колебания почти всех звуков, в то время как металл приводится в колебание главным образом только тем тоном, который сам издает при ударе.

У кого дома есть рояль или пианино, тот легко может убедиться в этом. Деревянный корпус рояля удивительно усиливает все тона; каждый тон передается наружному воздуху одинаково громко и ясно. Откройте крышку рояля, нажмите правую педаль и возьмите голосом какую-нибудь ноту. Вы услышите, что рояль повторит взятый вами тон. При нажиме правой педали все струны освобождаются от суконных клапанов и могут свободно колебаться, но в ответ на ваш голос заколебалась только струна того тона, который вы взяли. Все остальные не отозвались.

Посмотрим теперь, как колеблется струна и какие звуки она издает в разных случаях. Не надо быть скрипачом, чтобы знать, что чем сильнее натянешь струну скрипки на колок, тем выше будет издаваемый ею звук. Но высокий или низкий тон струны зависит не только от того, насколько сильно она натянута. На тон влияют вес струны и ее длина.

Тяжелые басовые струны, обмотанные проволокой, не могут дать такого большого числа колебаний в секунду, как так же натянутые и той же длины легкие. Значит, число колебаний струны зависит и от ее веса на единицу длины. Чем больше вес струны, тем меньшее число колебаний в секунду она дает. Математики говорят, что число колебаний струны обратно пропорционально ее весу.

Если вдвое укоротить струну, колебания ее будут вдвое чаще, а потому и звук будет выше, и притом, как говорят, на октаву выше. Вообще при данном натяжении число колебаний данной струны в одну секунду обратно пропорционально ее длине.

Гармоника из деревянных палочек. Для того чтобы струна издала звук, ее не только можно бить, дергать или пилить поперек смычком. Ее можно тереть вдоль тряпкой, посыпанной канифолью. Но в этом случае колебания будут не поперечными, а продольными, они будут идти не в стороны, а струна будет попеременно то сокращаться, то удлиняться.

Мы можем устроить основанный на этом музыкальный инструмент, показанный на рис. 43. В деревянный ящик длиной 50 сантиметров и высотой 15 сантиметров вделайте на равном расстоянии одну от другой 8 деревянных очень гладких палочек толщиной 1 сантиметр. Палочки должны быть вделаны точно перпендикулярно к крышке ящика. Лучше всего сделать ящик и палочки из пихты, но очень хорошие результаты получатся, если сделать гармонику из еловых досок.

Для того чтобы ящик был устойчивым, основание его сделайте пошире. Длина палочек зависит от того, какой будет первая из них. Для изготовления этого инструмента вы можете взять такие размеры: первая палочка длиной 70 сантиметров, третья ^терция) должна быть  = 56 сантиметров, пятая  = 46,7 сантиметра, восьмая вдвое меньше первой — 35 сантиметров. Остальные палочки можно подогнать по слуху к промежуточным нотам октавы по тонам гаммы.

Рис. 43

Конечно, их можно обрезать и по цифровым соотношениям звуков, но по тону пригонять лучше, потому что можно легко ошибиться при разрезывании из-за неуловимой на глаз разницы в толщине палочек. Лучше сделать их сначала немного длиннее, чем надо, а потом постепенно подпиливать, прислушиваясь.

Длина второй и четвертой палочек должна быть средней между стоящими рядом с ними: вторая палочка  = 63 сантиметра; четвертая  51,4 сантиметра; шестая и седьмая палочки должны быть средними по длине и по звуку между пятой и восьмой.

Теперь инструмент готов, и для игры на нем больше никаких приспособлений не нужно. Двумя слегка влажными пальцами скользите по палочкам вниз, и эта оригинальная гармоника будет звучать.

Музыкальный инструмент из бокалов. Нетолстый стеклянный бокал можно заставить издавать громкий звук. Оботрите указательный палец правой руки мокрым полотенцем, чтобы удалить грязь, обмакните затем палец в воду и мокрым пальцем водите, осторожно нажимая, по краю бокала (рис. 44). Сначала вы услышите неприятный звук. Но когда края бокала хорошо оботрутся, он будет издавать поющий звук тем нежнее, чем легче вы будете нажимать пальцем.

Высота звука зависит от величины бокала и толщины стенок. Вам нетрудно будет подобрать несколько бокалов или стаканов от самого низкого до самого высокого тона. Изменять тон можно еще, подливая воду в бокал. Чем больше воды нальете, тем ниже будет тон.

Рис. 44

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.

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.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.