Лабораторный эксперимент: создаем звуковые волны
Что вы знаете о барабанных перепонках в ушах? Самое простое — это неотъемлемая часть уха, которая позволяет слышать происходящее вокруг. Но почему ее называют перепонкой? Оказывается, само название «перепонка» наиболее точно описывает то, как она выглядит и какие функции выполняет.
Чтобы понять, как функционирует барабанная перепонка, представьте настоящий барабан и палочку, которая по нему бьет. А потом вообразите, что чувствует рука, только что ударившая по барабану? Она ощущает вибрации, распространяющиеся по материалу барабана. Наши перепонки работают схожим образом, только вибрируют не от удара барабанной палочки, а непосредственно от звуковых волн. Их невозможно разглядеть, но можно заметить, как они создают вибрации в вещах, окружающих нас, точно так же, как они делают это в перепонках.
Теория
То, что мы называем звуком, на самом деле — механическая волна, созданная благодаря возвратно-поступательным вибрациям частиц воздуха (или любой другой среды, в которой находятся наши уши — через воду звук тоже проходит). Для лучшего понимания, попробуйте похлопать в ладоши под водой. Собирая воду, ладони направляются друг к другу, создавая позади себя пустое пространство, которое окружающая вода стремится заполнить. Как только ладони встречаются, частички между ними оказываются зажаты. Оба этих явления можно наблюдать в виде вибрации волн вокруг ладоней.
Звуковые волны распространяются в воздухе схожим образом. Хлопая в ладоши, вы приводите в движение частицы воздуха между ладонями и вокруг. Движение создает компрессионную волну, которая перемещается в воздухе (примерно так же, как и в воде). Долгий звук, например, от камертона, получается благодаря вибрациям зубцов этого самого камертона. Они периодически сжимают и перемещают частицы вокруг себя, таким образом создавая циклично повторяющийся звуковой рисунок, который мы слышим как один долгий звук. Чем быстрее вибрируют зубцы, тем меньше времени проходит между каждым сжатием: это приводит к более высокочастотной волне.
Волна, добравшись до уха, ударяется в барабанную перепонку. Перепонка — это очень тонкая мембрана, которая играет роль барьера между внешним миром и внутренним ухом. Хотя она и защищает внутренности уха, ее основное предназначение — это все-таки звукопередача. Когда звуковые волны касаются перепонки, она вибрирует в точности как и барабан после удара палочкой. Вибрации перепонки через три небольших косточки передаются внутрь уха к заполненному жидкостью органу — внутреннему уху. И уже во внутреннем ухе вибрации трансформируют в электронные импульсы, воспринимаемыми ухом как звуки. Мы слышим различные тона (низкие и высокие) в зависимости от частоты звуковой волны: чем выше частота, тем выше тон.
Эксперимент
В этом эксперименте вы сможете пронаблюдать вибрации, которые создают звуковые волны, попадая на мембрану — точно так же, как они поступают с перепонкой.
Материалы:
— вощеная бумага;
— большая резинка, которую можно натянуть на края стеклянной миски;
— небольшая стеклянная миска, достаточная для того, чтобы туда поместить Bluetooth-колонку или смартфон;
— соль или сахар;
— телефон или другой девайс, который можно подсоединиться к беспроводной колонке. Для мобильных устройств доступны специальные приложения-тюнеры, которые способны проигрывать одну ноту, также можно найти соответствующие видео на Youtube;
— беруши (необязательно).
Подготовка
Положите колонку в миску. Убедитесь в том, что она подключена к мобильному девайсу и работает. Накройте миску листом бумаги. Закрепите лист бумаги резинкой. Насыпьте на бумагу сахара или соли, распределите гранулы по поверхности равномерно.
Процесс
Откройте приложение-тюнер (или Youtube-видео) на смартфоне. Выберите самую низкую частоту, установите минимальную громкость и начните проигрывать.
Пока играет нота, наблюдайте за гранулами на листе бумаги. Что вы замечаете? Есть ли изменения? Если есть, то какие?
Понемногу повышайте громкость на телефоне, и увеличивая громкость, каждый раз отмечайте поведение гранул. Что происходит? Поменялись ли гранулы? Если да, то каким образом?
Продолжайте увеличивать громкость, отмечая изменения в поведении гранул на листке бумаги (но оставьте громкость на комфортном для себя уровне). К какому эффекту приводит увеличение звука? Что, как вы думаете, за этим стоит?
Заметив изменения в поведении гранул, нажмите паузу и начните заново. Что происходит с гранулами, когда звучание приостанавливается? А когда возобновляется? Как вы думаете, почему тон влияет на гранулы? Заметили ли вы какие-то шаблоны в поведении гранул?
Нажмите паузу и вновь распределите гранулы по поверхности листа ровным слоем.Снова максимально уменьшите громкость телефона и выберите чуть более высокий тон.
Повторите предыдущие пункты, понемногу увеличивая громкость. В чем отличие от предшествующей итерации? Звучание ниже или выше? Как новый тон влияет на гранулы? Отличается ли эффект от того, что вы наблюдали, экспериментируя с первым тоном? Если да, то каким образом? И как вы думаете, чем эти изменения вызваны?
Дополнительно: повторите, экспериментируя с совершенно разными тонами. Подсказка: найдите видео «Chladini’s Experiment» и проведите свое исследование под этот звуковой ряд.
Подсказка: проведите эксперимент еще раз, только вместо стеклянной миски возьмите какой-нибудь иной контейнер. Сработает ли форма для выпечки? А ваза? А металлическая или деревянная миска? Если в первом случае ничего не вышло, попробуйте с более глубокой миской или же емкостью других размеров.
Наблюдение и результаты
Звук, проникая сквозь бумагу, заставляет ее вибрировать. Когда вы увеличиваете громкость, вы добавляете мощности звуковой волне, что приводит к более интенсивным вибрациям. В какой-то момент эти вибрации достигают мощности, достаточной для того, чтобы гранулы начали двигаться по поверхности листа.Вы также не могли не заметить, что гранулы перемещаются по различным схемам в зависимости от частоты воспроизводимого тона. Если меняется частота, то и вибрация бумаги меняется, и поэтому есть изменения в схеме движения гранул.
Перевод. Оригинал: Making Sound Waves
