Лабораторний експеримент: створюємо звукові хвилі [переклад]

1. теорія
2. експеримент
3. Спостереження і результати

Щоб зрозуміти, як функціонує барабанна перетинка, уявіть справжній барабан і паличку, яка по ньому б'є. А потім уявіть, що відчуває рука, тільки що вдарила по барабану? Вона відчуває вібрації, що поширюються по матеріалу барабана. Наші перетинки працюють схожим чином, тільки вібрують немає від удару барабанної палички, а безпосередньо від звукових хвиль. Їх неможливо розгледіти, але можна помітити, як вони створюють вібрації в речах, що оточують нас, точно так же, як вони роблять це в перетинках.

теорія

Те, що ми називаємо звуком, насправді - механічна хвиля, створена завдяки зворотно-поступальним вібрацій частинок повітря (або будь-який інший середовища, в якій знаходяться наші вуха - через воду звук теж проходить). Для кращого розуміння, спробуйте поплескати в долоні під водою. Збираючи воду, долоні направляються один до одного, створюючи позаду себе порожній простір, яке оточує вода прагне заповнити. Як тільки долоні зустрічаються, частинки між ними виявляються затиснуті. Обидва ці явища можна спостерігати у вигляді вібрації хвиль навколо долонь.

Звукові хвилі поширюються в повітрі схожим чином. Плескаючи в долоні, ви приводите в рух частинки повітря між долонями і навколо. Рух створює компресійну хвилю, яка переміщається в повітрі (приблизно так само, як і в воді). Довгий звук, наприклад, від камертона, виходить завдяки вібраціям зубців цього самого камертона. Вони періодично стискають і переміщають частки навколо себе, таким чином створюючи циклічно повторюється звуковий малюнок, який ми чуємо як один довгий звук. Чим швидше вібрують зубці, тим менше часу проходить між кожним стисненням: це призводить до більш високочастотної хвилі.

Хвиля, діставшись до вуха, вдаряється в барабанну перетинку. Перетинка - це дуже тонка мембрана, яка грає роль бар'єра між зовнішнім світом і внутрішнім вухом. Хоча вона і захищає нутрощі вуха, її основне призначення - це все-таки звукопередача. Коли звукові хвилі стосуються перетинки, вона вібрує в точності як і барабан після удару паличкою. Вібрації перетинки через три невеликих кісточки передаються всередину вуха до заповненого рідиною органу - внутрішнього вуха. І вже у внутрішньому вусі вібрації трансформують в електронні імпульси, які сприймалися вухом як звуки. Ми чуємо різні тони (низькі і високі) в залежності від частоти звукової хвилі: чим вище частота, тим вище тон.

експеримент

В цьому експерименті ви зможете поспостерігати вібрації, які створюють звукові хвилі, потрапляючи на мембрану - точно так само, як вони надходять з перетинкою.

матеріали:

- вощений папір;

- велика гумка, яку можна натягнути на краю скляної миски;

- невелика скляна миска, достатня для того, щоб туди помістити Bluetooth-колонку або смартфон;

- сіль або цукор;

- телефон або інший девайс, який можна під'єднатися до бездротової колонці. Для мобільних пристроїв доступні спеціальні додатки-тюнери, які здатні програвати одну ноту, також можна знайти відповідні відео на Youtube;

- беруші (необов'язково).

підготовка

Покладіть колонку в миску. Переконайтеся в тому, що вона підключена до мобільного девайсу і працює. Накрийте миску аркушем паперу. Закріпіть аркуш паперу гумкою. Насипте на папір цукру або солі, розподіліть гранули по поверхні рівномірно.

процес

Відкрийте програму-тюнер (або Youtube-відео ) На смартфоні. Виберіть найнижчу частоту, встановіть мінімальну гучність і почніть програвати.

Поки грає нота, спостерігайте за гранулами на аркуші паперу. Що ви помічаєте? Чи є зміни? Якщо є, то які?

Потроху підвищуйте гучність на телефоні, і збільшуючи гучність, кожен раз відзначайте поведінку гранул. Що відбувається? Чи змінилися гранули? Якщо так, то яким чином?

Продовжуйте збільшувати гучність, відзначаючи зміни в поведінці гранул на листку паперу (але залиште гучність на комфортному для себе рівні). До якого ефекту призводить збільшення звуку? Що, як ви думаєте, за цим стоїть?

Помітивши зміни в поведінці гранул, натисніть паузу і почніть заново. Що відбувається з гранулами, коли звучання припиняється? А коли поновлюється? Як ви думаєте, чому тон впливає на гранули? Чи помітили ви якісь шаблони в поведінці гранул?

Натисніть паузу і знову розподіліть гранули по поверхні аркуша рівним шаром.

Знову максимально прийнятний рівень гучності телефону і виберіть трохи вищий тон.

Повторіть попередні пункти, потроху збільшуючи гучність. У чому відмінність від попередньої ітерації? Звучання нижче або вище? Як новий тон впливає на гранули? Чи відрізняється ефект від того, що ви спостерігали, експериментуючи з першим тоном? Якщо так, то яким чином? І як ви думаєте, чому ці зміни викликані?

Додатково: повторіть, експериментуючи з абсолютно різними тонами. Підказка: знайдіть відео «Chladini's Experiment» і проведіть своє дослідження під цей звуковий ряд.

Підказка: проведіть експеримент ще раз, тільки замість скляної миски візьміть який-небудь інший контейнер. Чи спрацює форма для випічки? А ваза? А металева або дерев'яна миска? Якщо в першому випадку нічого не вийшло, спробуйте з більш глибокої мискою або ж ємністю інших розмірів.

Спостереження і результати

Звук, проникаючи крізь папір, змушує її вібрувати. Коли ви збільшуєте гучність, ви додаєте потужності звукової хвилі, що призводить до більш інтенсивним вібраціям. У якийсь момент ці вібрації досягають потужності, достатньої для того, щоб гранули почали рухатися по поверхні аркуша.

Ви також не могли не помітити, що гранули переміщаються за різними схемами в залежності від частоти відтвореного тони. Якщо змінюється частота, то і вібрація паперу змінюється, і тому є зміни в схемі руху гранул.

оригінал: Making Sound Waves