Бруно Донат - Физика в играх
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:
