Можно ли без хитроумных электронных приборов, простым глазом увидеть звук? Не торопитесь с ответом.
В одном из театральных спектаклей, когда актеры танцевали в тумане, — такой эффект используют иногда, получая «туман» с помощью так называемого сухого льда или с помощью углекислотного огнетушителя, — зрители, сидевшие на балконе, увидели не только танец, но и то, как поверхность туманного слоя словно бы пошла волнами — зоны разрежения и сгущения тумана возникали и пропадали вместе со звуками виолончели. Более того, их ширина явно зависела от высоты звука.
Вот как можно объяснить эту картину. На звуковые волны инструментов накладывались волны, отразившиеся от стены. В результате возникали стоячие звуковые волны. Они выглядят, как чередование участков спокойного плотного тумана — «узлов» и как бы кипящее го воздуха, плотность которого меняется со звуковой частотой, — пучностей.
То, что произошло в театре, можно смоделировать с помощью… стиральной машины старого образца — «ЗВИ», «Сибирячки» или подобной, с отдельными баками для стирки и отжима. Налейте в бак для стирки воду и включите центрифугу для белья, предварительно положив в нее хотя бы мокрое полотенце. Создаваемой центрифугой вибрации будет достаточно, чтобы увидеть на поверхности воды яркую картину стоячих волн.
Эта картина очень похожа на так называемые хладниевы фигуры из старинного опыта. Квадратную пластину или диск из бронзы закрепляли на столбике-подставке в центре симметрии. Затем пластину посыпали мелким песком и проводили по ее краю скрипичным смычком. Пластина начинала «петь». На ее поверхности появлялись стоячие волны.
В пучностях пластины сильно вибрируют, и песок сползает в спокойные места — узлы стоячих волн. Так получились замысловатые фигуры, которые вы видите на рисунке.
(Скажем в скобках, что хладниевы фигуры напоминают картину распределения плотности вещества в электронных оболочках атомов и молекул. Это сходство не случайно. Конфигурация электронных оболочек вызвана образованием в них стоячих волн плотности электронов, так называемых волн де Бройля.)
Мы рассказали о старинном варианте опыта французского физика Хладни, по имени которого были названы фигуры. Получить их можно и без бронзовой пластины и смычка. Для этого достаточно положить стекло на динамик и подключить к нему звуковой генератор (его можно, наверное, найти в кабинете физики). Если насыпать на стекло мелкий песок, то, меняя частоту генератора, вы можете увидеть самые разные картины.
Эрнст Хладни (1756–1827).
Фигуры Хладни вверху и их получение.
В начале XX века состоятельные американские дамы, кстати, соревновались в получении красивых фигур. Для этого открытую часть металлического кофейника с длинным носиком затягивали упругой пленкой бычьего пузыря и посыпали песком. Когда в носик произносили какую-нибудь фразу, на песке возникало множество сменяющих друг друга фигур. Наиболее примечательные из них фотографировали.
В заключение расскажем о простом приборе, который позволит увидеть стоячие звуковые волны в класс се. Для этого в крышку стола врезается неглубокая (10–15 мм) ванна с прозрачным дном, а под ней крепят точечный источник света, например, шестивольтовую лампу.
Затем в классе включают динамик, соединенный со звуковым генератором, подбирают частоту 5 — 10 кГц и получают четкую систему стоячих волн; на потолке класса появится картина, состоящая из отдельных полос. Это и есть отображение звуковых волн.
А. ИЛЬИН
Рисунки автора