Волшебные поющие трубы. Научные игрушки

Подробности

Обновлено 14.06.2021 18:59

01.2015

Труба трубит, зовет в поход? Не всегда! Иногда "зовет" погреться.
А кто сомневается, что все трубки и трубочки могут петь?
Трубки издавна использовались как основа для музыкальных инструментов, это и простая дудочка, и флейта, и гобой, и органные трубы. Если подуть в полую трубку, то в ней начинает колебаться воздух, и образуются стоячие волны. Высота издаваемого трубкой звука будет зависеть от размеров трубки, а правильнее - от объема воздуха, заключенного в трубке.

Любой пустотелый сосуд, наполненный упругим по своим свойствам воздухом и сообщающийся с атмосферой с помощью отверстий, становится акустическим резонатором и способен издавать звуки.

Однако звучащие трубы – это не только трубки привычных нам музыкальных инструментов, но и гудящие печные и каминные трубы, в которых возникают термоакустические колебания и появляется звук.
Во всех случаях звук в трубе создается проходящим через нее столбом воздуха, который начинает колебаться и звучать.

Поющее пламя Хиггенса

Первые в истории записи о звуках, порождаемых теплом, были сделаны Хиггинсом в 1777 году.

Хиггинс поместил в вертикально расположенную, открытую с двух сторон метровую трубу (диаметр 30–50 мм) водородное пламя. В результате конвекционного потока нагретого воздуха в трубе возникала стоячая звуковая волна с частотой, близкой к наименьшей собственной частоте колебаний воздуха в трубе.

Самый сильный звук получался, когда пламя располагалось в средней части трубы–резонатора.
Многие естествоиспытатели того времени демонстрировали любопытной публике опыты Хиггенса. Это устройство дошло до нас под названием «поющее пламя Хиггинса».


Поющая труба Рийке

В 1859 г. ученый П. Рийке впервые описал возникновение звука в трубе с установленной внутри трубы металлической сеткой при подводе к ней тепла. В своих опытах Рийке заменил водородное пламя Хиггинса на нагреваемую проволочную сетку. Он вставил в вертикальную трубу длиной около метра сетку, которая располагалась на расстоянии 20 см от нижнего конца трубы.
И труба Рийке «запела»!

Наиболее интенсивное звучание наблюдалось, когда нагретая сетка была расположена на расстоянии четверти длины трубы от нижнего конца. Если сетку сдвигать к верхней части трубки, то колебания ослабевали и гасли.

Как утверждал Рийке, колебания возникают потому, что проходящий сквозь трубу воздушный поток расширяется вблизи нагревателя и сжимается дальше за сеткой из-за охлаждения на стенках трубы.
Так появилась и вошла в историю «поющая» труба Рийке.


Как же «поет» труба Рийке?

Труба Рийке – это термоакустический резонатор, в котором тепло преобразуется в звук.
Она позволяет получать акустические волны большой амплитуды и заданной частоты.
Если прогреть сетку с помощью огня или электрическим током, то теплый, а потому легкий, воздух от этой сетки будет подниматься вверх по трубе, а холодный воздух начнет поступать извне в нижнюю часть трубы. В трубе возникнет тяга, и труба начнет звучать.

Если звучащую трубу разворачивали горизонтально, то звучание прекращалось. Если ее вновь ставили вертикально – звук появлялся вновь. Когда сетка начинала остывать, тяга в трубе уменьшалась, и громкость звука ослабевала. Ну, а чтобы «выключить» звук, надо было просто закрыть верхнее отверстие трубы.

Хотя если гнать поток воздуха через трубку, например, с помощью насоса, то трубка будет издавать звук и в горизонтальном положении. Совершенно безразлично, каким образом создается поток воздуха в трубе – будет это естественная конвекция или нагнетаемый поток.
Также безразлично, каким способом нагревать сетку в трубке. Это можно делать с помощью огня или нагревать сетку, пропуская по ней электрический ток.

Еще позднее было обнаружено интересное явление. Если сетку установить в верхней части трубки, и эту сетку охлаждать, а через трубку пропускать горячий воздух, то также возникает звук. Значит, для получения звука нужен просто перепад температур.
Физические опыты Рийке привели к появлению нового музыкального инструмента – огневого органа или иначе пирофона.
После работ Рийке опыты с трубками были продолжены.

Поющая труба Зондхаусса

Когда-то стеклодувы заметили, как при выдувании стекла трубка стеклодува вдруг начинает звучать! При прохождении воздуха через трубку стеклодува на другом ее конце, который находится в печи, из стеклянной массы образуется полый шар. При определенных размерах трубки и шара в трубке возникает звук. Высота звука зависит от длины трубки.

Это явление было впервые описано в 1850 году немецким физиком Карлом Зондхаусом.
Зондхаусс изучал тепловую генерацию звука, наблюдаемую в стеклодувках. Было обнаружено, что пламя, подводимое к стеклянной колбе, заставляет воздух внутри колебаться и издавать чистый звук, характеристики которого зависят от размеров стеклянного шара и трубки. Более длинные трубки и большие емкости дают более низкие частоты. Повышение температуры пламени вызывает увеличение силы звука.

Звук в трубах можно получить и при отсутствии потока воздуха. Для этого в горизонтально расположенную трубу, один конец которой закрыт, а другой открыт (или закрытую на обоих концах) необходимо поместить нагреватель и близко расположенный к нему охладитель. При некоторой разнице температур в такой трубе возникает звук. При некоторой разнице температур происходит генерация звука. Этот эффект был также обнаружен Зондхауссом.

Объяснение процесса получения звуковых колебаний при подводе тепла, в том числе физику работы трубок Рийке и Зондхаусса, дал в 1887 году физик Рэлей. Принцип Релея описывает термоакустический эффект, т.е. преобразование тепловой энергии в энергию звука.