Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Если вы хлопнете в ладоши вблизи одного конца водоотводной трубы, вблизи противоположного конца вы услышите звук «вжик» — своеобразное эхо, которое начинается на самой высокой частоте и быстро опускается до самой низкой. Это особое эхо прозвали пением труб. Пение трубы вы можете услышать и если кто-то хлопнет в ладоши у дальнего от вас конца трубы. Похожее эхо иногда возникает на корте для ракетбола^[55], но там частота со временем увеличивается, а не уменьшается. Чем вызвано такое певучее эхо? И чем именно вызвано изменение частоты?

ОТВЕТ • Звук «вжик», образованный эхом в трубе и прозванный пением труб, можно услышать в разных трубах, в том числе достаточно коротких. Это происходит благодаря резонансу, когда волны усиливают друг друга. Здесь мы ограничимся простым объяснением этого явления. Допустим, ваш приятель хлопнул в ладоши почти в центре одного из отверстий трубы некоторой длины. Этим он послал в трубу звуковой импульс, который отражается от стенок и распространяется вдоль трубы по разным путям. Например, он может один-единственный раз отразиться в точке, расположенной посередине.

Если количество отражений больше одного, звук вдоль трубы идет различными зигзагообразными путями и, следовательно, медленнее. Поэтому сначала мы слышим эхо, полученное в результате одного отражения, потом — в результате двух отражений и так далее. Частота звука, которую мы воспринимаем, — это частота, с которой звук эха приходит в наше ухо. При каждом отражении часть энергии волны поглощается и переходит в тепло, причем высокие частоты поглощаются лучше. Поэтому приходящие позже, после многократных отражений, волны лишены высокочастотных составляющих и воспринимаются как низкочастотный звук.

То же самое происходит, когда вы слушаете эхо своего собственного хлопка в ладоши. Однако в этом случае звук должен поменять свое направление на дальнем конце трубы. Такое происходит и если конец трубы закрыт (запаян или закрыт крышкой), и когда он открыт. В последнем случае это выглядит странно, но это так: когда волна доходит до открытого конца трубы, резкий переход к открытому пространству приводит к тому, что часть звука отражается от этой точки и идет обратно в трубу. Мы говорим в этом случае о том, что звук отражается от открытого конца. Заметим, что в некоторых музыкальных инструментах это отверстие специально развальцовано, чтобы уменьшить эти отражения и побольше звука выпустить наружу — напрямую к слушателям или через микрофон.

Когда мяч для ракетбола скользит по стене или полу корта, скольжение происходит рывками, из-за чего мяч начинает колебаться. Колебания приводят к колебаниям давления воздуха, и они распространяются от мяча в стороны в виде звуковых волн, то есть визга или писка. Поскольку твердая поверхность стен и пола хорошо отражает звук, вы слышите не только звук, приходящий к вам непосредственно от мяча, но и громкие отражения от разных поверхностей. В реальности звук отражается много раз от разных поверхностей корта (за исключением тех случаев, когда значительная часть задней стенки открыта для зрителей), и тогда можно услышать эхо, которое длится иногда 1–2 секунды. Скорость мяча со временем падает, и это, возможно, изменяет частоту рывков, а значит, и частоту звука, который вы слышите.