7.8. Волновая машина снелла
Каких только механических моделей ни было изобретено для демонстрации продольных и поперечных волн! В коллекции физических демонстраций кафедры экспериментальной физики СПбГПУ имеется волновая машина, созданная английским преподавателем Э. Снеллом в 1852 году. Машина, изображенная на рис. 7.18, состоит из 40 одинаковых металлических дисков, эксцентрично закрепленных на оси. Диски сдвинуты друг относительно друга на небольшие углы, так что они образуют как бы одно массивное спиралеобразное тело, которое можно вращать вокруг горизонтальной оси с помощью ручки.
На каждый диск опирается металлический стержень, свободно поднимающийся в вертикальном направлении. Если следить за движением одного из стержней при вращении ручки, то за один оборот ручки он совершит одно колебание вверх-вниз. Соседний стержень опишет то же самое колебание, но только с некоторым сдвигом фазы.
Рис. 7.18. Волновая машина Снелла.
Остальные стержни также будут совершать колебания с тем же самым сдвигом фазы относительно друг друга. Так демонстрируется бегущая волна, распространяющаяся направо или налево.
Следует отметить, что, строго говоря, мы имеем дело с моделью волны, а не с самой волной. Ведь здесь нет связи между осцилляторами, каждый стержень никак не связан с соседними. Ситуация аналогична той, которая описана в п. 7.4, где рассказывается о «волнах» в системе (ансамбле) из 13 маятников.
7.9. Акустический интерферометр квинке
Прибор Квинке1 служит для демонстрации явления интерференции звуковых волн. Он состоит из двух изогнутых дюралюминиевых трубок диаметром 20 мм, соединенных между собой в один общий канал (рис. 7.19). Один из каналов служит для возбуждения звука (звуковой генератор, органная труба или что-то еще), на второй конец устанавливают картонный рупор или микрофон. Одна из трубок раздвижная, как в тромбоне, так что можно увеличивать ее длину почти в два раза.
Рис. 7.19. Акустический интерферометр.
Воздушная волна, возникающая на входе в интерферометр, разделяется, и ее части распространяются по двум ветвям прибора. Затем волны снова соединяются и интерферируют. При изменении длины одной из ветвей прибора легко обнаруживаются максимумы и минимумы звучания рупора или микрофона. Фиксируя положения подвижной трубы, соответствующие двум соседним максимумам или минимумам, можно определить длину волны звука.
7.10. Волны на резиновой трубке
Рассказывая о возникновении волн, многие лекторы используют образ веревки, шнура, один конец которого закреплен, а другой колеблется (рис. 7.20). Этот полезный образ требует наглядного закрепления с помощью простейшего опыта. Для этого берется резиновый шнур или трубка диаметром 10 – 12 мм и длиной 7 – 8 м, один конец которого прикреплен к диску на валу электромотора. Второй конец демонстратор держит в руке, натягивая шнур с разными усилиями.
Рис. 7.20. Резиновый шнур для демонстрации волны. |
При включении мотора конец шнура приходит в колебательное движение, и по шнуру бежит волна. Если держать руку достаточно крепко, то возникнет отраженная волна, которая, складываясь с падающей, образует стоячую волну. Так как скорость распространения волны зависит от натяжения резинового шнура, то длина стоячей волны будет изменяться.
Можно показать одиночные импульсы на резиновом шнуре. Для этого при выключенном электромоторе натягивают шнур и резким ударом по трубке свободной рукой или палкой возбуждают одиночный упругий импульс, который бежит по шнуру, отражается от закрепленного конца (у электромотора), меняет фазу на 1800 и возвращается обратно.
Для демонстрации отражения волны от среды с меньшей упругостью, чем та среда, в которой распространяется волна, поступают следующим образом [1]. К концу резинового шнура прикрепляют кусок веревки длиной 0,5 – 1 м. Свободный конец веревки прикрепляют к стене (или, как и раньше, к диску электромотора). Возбуждают бегущую волну. Отраженная волна, возникшая у закрепленного конца, распространяется по трубке без потери полуволны.
1 В Интернете можно найти лекции по физике, которые читает профессор В. Левин из Массачусетского технологического института (США). Так вот на эксперимент с пружинным маятником он тратит почти двадцать минут драгоценного лекционного времени, причем не только показывает эффект, но и тщательно его измеряет и оценивает.
1 Зависимость длины подвеса от номера маятника должна быть пропорциональна , поэтому в исходном положении шарики располагаются по кривой линии.
1 Встречаются «объяснения» этой демонстрации, опирающиеся на интерференционные и нелинейные эффекты. Очевидно, в данном случае нет никакой интерференции и никакой нелинейности. Маятники качаются сами по себе с частотой, определяемой длиной подвеса.
1 В теоретической механики такие маятники называются симпатическими.
1 Г. Квинке (1834 – 1924) – немецкий физик.