3.39. Поющие гофрированные трубки

В магазинах можно встретить музыкальную игрушку, представляющую собой отрезок обычной гофрированной пластиковой трубки с двумя открытыми концами. Трубку длиной около метра берут за один конец и описывают им небольшой круг, а второй — дальний конец — при этом опишет больший круг. Если вращать трубку медленно, вы ничего не услышите. Но если вращать быстрее, она начинает испускать звук определенной частоты. Если скорость еще увеличить, частота звука тоже увеличится. Не так трудно научиться издавать звуки на четырех или пяти частотах, меняя скорость вращения. Почему трубка «поет»?

ОТВЕТ • Когда дальний конец трубки движется по большому кругу, воздух, находящийся внутри трубки, выталкивается наружу (трубка пытается заставить воздух двигаться по кругу, но нет пробки, которая могла бы его удержать, поэтому он выходит наружу). По мере того как воздух выходит из дальнего конца трубки, новый поток воздуха поступает в ближний конец, таким образом через трубку прокачивается воздух с постоянной скоростью.

Если скорость потока достаточно высока, внутренние ребра гофрированной трубки не дадут ему двигаться плавно, и в потоке разовьется турбулентность, то есть колебания давления воздуха. Эти колебания давления возникают в диапазоне частот, определяемом скоростью воздушного потока и расположением ребер гофра. Если частота внутри этого диапазона соответствует собственным частотам трубки, в ней возникает резонанс. Это означает, что волны усиливают друг друга и в результате возникает мощная звуковая волна, которая испускается из открытого конца трубки, и этот звук мы слышим. При более быстром вращении и, соответственно, большей скорости потока воздуха в трубке частотный диапазон турбулентности сдвигается в сторону более высоких частот. Одна из частот этого нового диапазона будет соответствовать более высокой резонансной частоте трубки, и вы услышите звук на более высокой частоте.

В игрушечной трубке вы можете не услышать самую низкую возможную частоту, поскольку поток воздуха через трубку при маленькой скорости вращения слишком медленный для возникновения турбулентности. Самая низкая частота, которую вы сможете услышать, — вторая гармоника (или первый обертон).

Вы можете заставить гофрированную трубку «петь», высунув ее конец из окна движущегося автомобиля (только не делайте этого, если вы сами за рулем!). Нужно подставить отверстие под встречный поток воздуха, чтобы он проносился сквозь трубку, и она запоет.