3.37. Диджериду
Диджериду — традиционный музыкальный инструмент австралийских аборигенов, который при игре на нем издает почти ровное гудение. Он представляет собой длинную ветку дерева, внутри которой имеется проделанное термитами сквозное отверстие. Играют на этой ветке, прижимая губы к одному из ее концов. Чтобы извлечь из трубы звук, нужно подуть в нее определенным образом, однако добиться громкого и более-менее постоянного звучания довольно трудно даже для искушенного в игре на духовых инструментах музыканта. Как диджериду издает звуки?
3.38. Тряска и гудение силосной башни
Почему, если дать зерну ссыпаться с силосной башни (сооружения, в котором хранится зерно), она колеблется (это называется тряской силосной башни) и издает звуки (эти звуки называют гудением силосной башни), которые напоминают периодическое кваканье клаксона? Некоторые силосные башни дрожат, но не гудят, некоторые гудят, но не дрожат, некоторые не делают ни того ни другого, а есть и такие, которые делают и то и другое. Гудение силосных башен просто раздражает, но их колебания могут привести к их разрушению.
ОТВЕТ • Хотя зерно высыпается со дна силосной башни равномерно, внутри нее зерно ссыпается прерывисто. Это прерывистое движение может объясняться несколькими причинами, одна из которых — периодическое образование и обрушение сводов, образующихся при ссыпании зерна. Однако главная причина, по-видимому, — это чередование прилипания зерен к внутренней стенке и соскальзывания с нее. Эти меняющиеся условия ссыпания зерна приводят к тому, что возникают колебания в его движении и, соответственно, колебания стенок бункера, которые служат гигантскими деками, испускающими звуковые волны. Иногда эти колебания настолько мощные, что могут вызвать разрушение силосной башни.
В некоторых силосных башнях эти колебания могут возбудить акустический резонанс в столбе воздуха над уровнем зерна. Это означает, что звуковые волны, имеющие длину волны, соответствующую длинам волн собственных колебаний столба воздуха, складываются и образуют в нем мощную звуковую волну вроде той, что возникает в органных трубах.
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.
