Кто из нас не знаком с микрофоном? Вы его видите по телевизору, в театре, кино, пользуетесь им при записи на магнитофонную пленку, его устройство описано в школьном учебнике физики. А вот о существовании водяного микрофона, наверное, знают немногие. Да, да, не удивляйтесь. Оказывается, с помощью водяной струи можно успешно усиливать раз- личные звуки. Сделал этот необычный прибор американец Александер Белл1, который больше известен миру как один из изобретателей телефо- на. Познакомимся прежде всего со свойствами его «усилителя» — водяной струи. Если в дне сосуда с водой просверлить небольшое круглое отвер- стие, то можно заметить, что вытекающая сквозь него струя состоит из двух различных по своим свойствам частей. Верхняя часть струи прозрач- на и неподвижна настолько, что кажется стеклянной. По мере удаления от истока она становится все тоньше, и в точке наибольшего сокраще- ния начинается нижняя часть, переменчивая по форме и непрозрачная. 'А. Г. Белл A847—1922) — американский изобретатель, выходец из Шотландии; первая публичная демонстрация его главного изобретения, передачи речи с помощью электричества, состоялась в 1876 году. 136 Глава 15. Водяной микрофон А. Белла На первый взгляд эта часть струи, как и верхняя, кажется непрерывной. Однако иногда удается быстро провести через нее палец, не замочив его. Французский физик Феликс Савар1 провел подробное исследование свойств водяных струй и пришел к выводу, что в самом узком месте водя- ная струя перестает быть сплошной и распадается на отдельные капельки. Теперь, по прошествии более чем ста лет, в этом легко убедиться, сфо- тографировав струю воды со вспышкой или посмотрев на нее при стро- боскопическом освещении (рис. 15.1); в те же далекие времена свойства струи изучали, наблюдая ее в темноте при вспышке электрической искры. о О О о 0 о П У о 0 о о о о о о о о о 0 о 0 Рис. 15.1: Последовательность больших и маленьких капель, образующаяся при распаде водяной струи. ¦ I 1 1 1 Посмотрите на изображение нижней части струи (рис. 15.1). Она со- стоит из отдельных капель — больших и малых между ними. Как видите, в процессе падения большие капли пульсируют, последовательно меняя форму от эллипсоида, растянутого по горизонтальному направлению A-я 'Ф. Савар A791 — 1841) — французский физик; автор трудов по акустике, электромагне- тизму и оптике. K37 и 2-я капли), к шару C-я), а затем переходя к эллипсоиду, растяну- тому по вертикальному направлению 4-я, 5-я, 6-я). Затем капля снова возвращается к форме шара G-я) и т. д. Каждая капля, быстро пуль- сирующая в процессе своего падения1, производит в различные моменты времени различное воздействие на глаз человека. В результате и возни- кает образ непрерывной мутной струи с утолщениями в тех местах, где капли-эллипсоиды растянуты горизонтально, и сужениями там, где они растянуты вертикально. Другим важным открытием Савара было то, что на длину верхней, прозрачной части струи большое влияние оказывают окружающие звуки. Если вблизи струи возбудить звуковые колебания определенной частоты, прозрачная часть струи мгновенно становится мутной. Савар объяснил это так. Капли, на которые распадается водяная струя в своей нижней части, зарождаются еще вверху, у самого отверстия. Пред- ставляясь как бы кольцевыми выступами, по мере удаления от отверстия они проявляются все четче и четче, пока не отделятся совсем. Эти высту- пы следуют друг за другом настолько часто, что производят слабый звук. Музыкальная нота, звучащая в унисон с этим звуком, способствует более раннему распаду струи на отдельные капли, то есть переводит прозрачную часть струи в мутную. Английский физик Джон Тиндаль2 повторил в своей лаборатории опы- ты Савара. Ему удалось создать струю (жилу, по выражению Тиндаля), прозрачная часть которой достигала длины около 90 футов B7,4 м). Под действием звука органной трубы соответствующей частоты и умеренной силы эта прозрачная жила превращалась в мутную, распадаясь на огром- ное количество водяных капель. В одной из статей Тиндаль так описывает свое наблюдение за падени- ем водяной струи в бассейн с водой: «Когда нисходящая струя пересекает жидкую поверхность выше точки перерыва (точки перехода от прозрачной части струи к мутной), причем давление не слишком сильно, то она входит в жидкость молча; но когда эта поверхность пересекает струю ниже точ- ки перерыва, то сейчас же слышится журчание и появляется множество пузырьков. В первом случае не только нет сильного разбрызгивания жид- 1 Частоту колебаний капли нетрудно оцепить так же, как мы делали это в главе 9 «Поющие 1/2 и безмолвствующие бокалы» для воздушных пузырьков в жидкости: i/0 ~ " 3/о. Принимая а = 0,07 Н/м, р = 103 кг/м3, г0 = 3 • 10~3 м, находим, что vq ?S 50 Гц (чередование кадров в кино составляет 24 кадра в секунду, и для нашего глаза уже этого оказывается достаточно для создания иллюзии непрерывности движения). 2Дж. Тиндаль A820—1893) — английский физик, специалист по оптике, акустике и маг- нетизму. 138 Глава 15. Водяной микрофон А. Белла кости, но она вокруг основания жилы собирается в кучку, в выступ, где движение противоположно струе». Описанные свойства водяной струи и были использованы Беллом для устройства водяного микрофона, который показан на рис. 15.2. Он пред- ставляет собой металлическую трубку с впаянным патрубком, на который надета воронка. Нижним концом эта трубка установлена на подставке, а верхний прикрыт кусочком эластичной резиновой мембраны, закрепленной на трубке с помощью нити. Рис. 15.2: Водяной микрофон Александера Белла усиливал звук за счет энергии падения капель. Как мы уже знаем из опытов Тиндаля, при попадании струи в бассейн с водой ее нижняя, распавшаяся на капли часть производит шум. Если же в воду входит верхняя, цельная часть струи, то она втекает в бассейн бесшумно. Подобный опыт можно провести и с куском картона. Так, если лист картона, на который падает струя воды, поднимать к ее истоку, то удары капель будут слышны все слабее и слабее, а когда будет достигнута точка перерыва, их не станет слышно совсем. 139 Мембрана в микрофоне Белла играет роль того же листа картона. Однако благодаря резонатору, которым является трубка, и рупору каждый тихий удар капли слышен гораздо лучше. Таким образом, падающие на ре- зиновую мембрану капли производят в комнате впечатление слабых ударов молота по наковальне. С помощью описанного водяного микрофона можно, например, убе- диться в чувствительности струи воды к музыкальным звукам, о которой писали Савар и Тиндаль. Так, если к трубочке, из которой вытекает тонкая струя воды на мембрану, приложить ножку вибрирующего камертона, то струя тут же распадется на капли, которые, ударяя по мембране, «запо- ют» так, что захочется заткнуть уши. В этом усилении слабого исходного звука за счет энергии падающей струи и проявляется действие водяного микрофона. Приложив вместо камертона к трубке часы, можно сделать слышным их ход для всех присутствующих в комнате. Известный в конце XIX века популяризатор научных знаний Б. Донат утверждал, что, прила- див к стеклянной трубке, из которой вытекала вода, воронку, он попытался передать через струю звуки своего голоса. При этом струя действительно «заговорила», но так неясно и грубо, и таким ужасным голосом, что все присутствовавшие при этом разбежались1. Читая эти строки, остается только радоваться, что основное изобре- тение Белла — телефон с электрическим микрофоном — этого недостатка лишено.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ОБ ОДНОМ ИЗОБРЕТЕНИИ АЛЕКС АН ДЕРА БЕЛЛА» з дисципліни «Дивовижна фізика»
