Немного обыкновенных чудес: подводный свисток и труба Рийке16.06.2023 12:16

Картинка Vecstock, Freepik

Некоторые предметы настолько плотно вошли в нашу жизнь, что мы даже и не представляем себе, что они могут выглядеть как-то иначе. Тем не менее, они могут! Например, свисток может быть жидкостным и использовать в качестве рабочего тела струи жидкости. Нет, мы не собираемся «вдувать» воду в обычный спортивный свисток:-) Такой свисток будет иметь свои особенности конструкции и принцип действия — ниже мы рассмотрим их и многое другое. Так как существует ещё один весьма занятный способ извлечения звука…

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

Жидкостный свисток

▍ Теория

Конструкция этого свистка будет отличаться от привычных и известных, а ввиду использования в качестве средства продуцирования звука водяной струи его часто называют «гидродинамическим излучателем звука».

Подобное устройство, как можно видеть на картинке ниже, представляет собой систему из упругой пластинки, заострённой с концов, а также сопла, которое является источником струи жидкости.

При набегании этой струи жидкости на заострённый край пластинки струя разбивается на два отдельных потока, каждый из которых поочерёдно закручивается в вихри. В области образования вихря происходят периодические изменения давления, которые далее распространяются по всему объёму жидкости в виде звуковых волн.

Когда звуковая волна доходит до основания струи, находящейся около сопла, она начинает воздействовать и на саму струю, то есть появляется положительная обратная связь, в результате чего в системе устанавливаются автоколебания.

Учёными было выяснено в результате экспериментов, что частота колебаний струи ( $f_{ст}$ ) прямо пропорциональна скорости истечения жидкости из сопла и обратно пропорциональна расстоянию сопла от пластинки ( $l$ ), что может быть выражено в виде формулы (1):

$f_{ст}=kv/l$ ,

Где $k$ — коэффициент пропорциональности, имеющий зависимость от $v$ и $l$ .

Подобные пластинки обычно изготавливаются из упругих материалов, например, из стали.

Также можно видеть, что пластинка подвешена с помощью четырёх игл, которые установлены так, что через все четыре стержня можно провести четыре параллельные линии.

При возникновении возмущений по этой упругой пластинке происходит распространение изгибной волны, что приводит к возникновению колебаний пластинки, причём колебания происходят с собственной частотой, если произошло возникновение такой стоячей волны, что между точками крепления этой пластинки помещается ровно половина этой волны. То есть, можно сказать, что в точках крепления пластинки возникают узлы стоячей волны, а между ними и на концах пластинки-пучности (подробное пояснение изображённого ниже устройства есть в подразделе статьи «Практическая модель»):

При этом собственная частота колебаний этой пластинки может быть вычислена согласно формуле (2):

$f_{пл} = k\frac{h}{d^{2}}\sqrt{\frac{E}{p}}$ ,

Где:

Автоколебания, возникшие в струе жидкости, приводят к колебаниям пластинки. При этом возможно подобрать скорость струи и расстояние от сопла до острого края пластинки таким образом, что частота колебаний струи может совпасть с частотой колебаний пластинки. Это приведёт к резкому росту амплитуды её колебаний ввиду возникновения резонанса, при этом в толщу жидкости будет излучаться весьма интенсивная звуковая волна, где сила звука будет максимальной и совпадать с направлением колебаний пластинки.

То есть, другими словами можно сказать, что упругая пластинка выступает в этом случае в качестве резонатора, усиливающего относительно слабые колебания струи жидкости.

Интересным моментом является то, что подобного типа жидкостный свисток может быть использован и для получения ультразвука в жидкости!

Для этого нужно:

определиться с частотой ультразвука, которую необходимо получить;
затем изготовить упругую пластинку, используя формулу (2);
после чего следует, базируясь на формуле (1), подобрать такое расстояние между соплом и острым краем пластинки, чтобы пластинка начала колебаться максимально интенсивно.

Обобщая, можно сказать, что подобные пластинки способны давать ультразвук с частотой до 35–40 кГц.

▍ Практическая модель

Практические исследования учёных помогли выяснить оптимальные соотношения размеров жидкостного свистка:

ширина его сопла должна быть примерно в 15–20 раз больше, чем его толщина;
оно должно иметь параллельные стенки, уходящие на глубину, примерно в 2,5–3 раза больше, чем его толщина (целью этого является получение плоской струи жидкости);
ширина и толщина упругой пластинки должны быть примерно равны или могут быть чуть больше, чем соответствующие размеры сопла;
угол заточки конца пластинки, обращённый к соплу и противоположный ему, должен составлять порядка 30°.

Имеется проверенная конструкция подобного типа свистка, многократно повторённая ещё в 1970-х годах. В общих чертах способ его изготовления выглядит следующим образом (кликабельно):

Упругая пластинка-резонатор изготавливается из обычного ножовочного полотна по металлу, от которого отламывается или отрезается кусок таким образом, чтобы его размеры получились следующими: 0,6×10х30 мм.

Два узких края этой пластинки на глаз затачиваются таким образом, чтобы угол заточки составил, как мы выше и говорили, 30°. После чего заточенные края отшлифовываются на мелкозернистом абразивном бруске.

Сопло изготавливается из медной или латунной трубки длиной около 70 мм, диаметром в 8 мм с толщиной стенок порядка 0,5–1 мм.

Но эта трубка круглая, а нам необходимо получить плоское сопло. Для этой цели из ещё одного куска ножовочного полотна вырезается полоска шириной 8 мм и той же толщиной (0,6 мм), которая вставляется в трубку и трубка обжимается либо плоскогубцами, либо ударами молотка, после чего пластинка выдёргивается из трубки и удаляется. Таким образом, на выходе у нас должно получиться сопло, которое снабжено щелью шириной 9–10 мм и толщиной прохода порядка 0,6–0,7 мм.

Теперь элементы конструкции должны быть смонтированы на некой раме, в роли которой у нас будут выступать две пластины из оргстекла или текстолита, имеющие толщину по 4 мм, и размерами: 30×40 мм, 30×250 мм.

После чего меньшая пластинка прикладывается к большей, на меньшей размечаются места отверстий для крепления и обе пластинки одновременно просверливаются таким образом, чтобы получилось четыре отверстия под крепёжные болты в обеих пластинках сразу.

Между крепёжными отверстиями необходимо процарапать канавки, отстоящие друг от друга на 15 мм и перпендикулярные длинным сторонам пластинок (можно их просто высверлить, если предварительно стянуть болтами пластинки и сверлить место их стыка — тогда после разъединения пластинок на каждой из них останется канавка).

Далее в эти углубления вкладываются стальные иглы, имеющие примерный диаметр 0,6 мм. Для того, чтобы иглы пока не выпадали, к пластинам их временно крепят небольшими шариками из пластилина (или можно скотчем).

После чего с помощью жестяной обжимки на длинную пластину крепится сопло с надетым на его конец длинным резиновым шлангом, который будет далее подключён к водопроводному крану.

Остаётся только соединить все элементы конструкции воедино, скрепив их четырьмя болтами по углам.

Тут нужно иметь в виду, что пластинка-резонатор должна касаться только игл, и больше ничего другого!

Кроме того, нужно учитывать, чтобы сопло было строго параллельно пластинке-резонатору, и конец сопла должен находиться на расстоянии в пределах от 1 до 3 мм от заострённого края пластинки-резонатора.

После того как устройство собрано, необходимо надеть свободный конец резинового шланга на водопроводный кран, опустить свисток в ёмкость с водой и открыть кран.

Предварительно ослабив крепёж сопла на пластине из оргстекла, нужно плавно менять расстояние между соплом и пластинкой, таким образом, чтобы возник слабый звук с достаточно высокой частотой. Изменяя расстояние, требуется добиться наибольшей интенсивности звука.

Следует отметить, что сила звука совершенно не значит максимально открытый кран с водой! Мало того, при максимально открытом кране звук может вообще пропасть…

После окончательного подбора расстояния следует закрепить сопло в найденном положении.

Исследователь может разочароваться слабостью слышимого звука, но следует учитывать, что излучение звука происходит в водной среде, а слушаем мы его воздушной! Расчёты показывают, что если звук переходит из воды в воздух, то обратно в воду отражается порядка 0,9989, в то время как в воздух переходит только 0,0011 от всей интенсивности звука.

▍ Для чего может быть применён «водяной» свисток

Выше уже говорилось о том, что для стороннего наблюдателя излучаемый звук может показаться достаточно малой интенсивности, однако известен опыт, в ходе которого в банку наливалась вода, сверху этой воды наливался слой керосина толщиной до 2 см. После чего в банку погружался в водяной свисток и включался. Жидкости в банке моментально перемешивались, образуя эмульсию. Причём, несмотря на то что работа свистка длилась относительно короткое время, вода и керосин продолжали ещё оставаться в своих отдельных слоях, в то время как оба этих слоя мутнели. То есть можно констатировать, что происходило возникновение как эмульсии воды в керосине, так и керосина в воде.

В то время как если попытаться перемешать вручную воду и керосин, то любые интенсивные встряхивания не позволят добиться сколь-нибудь сходного результата.

Причиной подобного перемешивания является возникновение акустической кавитации, суть которой заключается в том, что звуковые волны высокой интенсивности, проходящие сквозь жидкость, приводят к возникновению разрывов в ней, заполненных газом или паром, называемых кавитационными пузырьками, которые возникают в зонах разряжений звуковой волны, в то время как идущая следом волна сжатия приводит к их схлопыванию, в ходе которого наблюдаются большие давления и возникает ударная волна. Если таких пузырьков образуется множество, то это приводит к дроблению несмешивающихся жидкостей на мельчайшие капельки и, соответственно, их перемешиванию. Кроме эмульгирования, это явление может применяться для ускорения химических реакций, очистки от загрязнений и т. д.

Труба Рийке

Завершая рассказ о любопытных способах получения звуковых колебаний, можно упомянуть ещё один, правда уже для получения звука в воздухе — трубу Рийке. Он заключается в том, что если труба, открытая с двух концов, имеет близко к одному из своих концов источник тепла, из трубы начинает излучаться достаточно сильный монотонный звук. Впервые это явление было обнаружено стеклодувами, которые заметили, что при нагревании стеклянного шара, расположенного с одного конца трубки, другой конец трубки начинал излучать звук. Исследование этого вопроса проводилось разными учёными, однако одним из последних (и самым известным) стал Питер Рийке (Pieter Rijke), который создал систему, состоящую из открытой с двух концов трубки, установленной вертикально, и металлической нагреваемой сетки, расположенной на расстоянии ¼ от нижнего конца трубки.

После прогрева сетки возникал достаточно сильный звук:

На первый, поверхностный взгляд, кажется, что нагреватель, который расположен в трубе, может служить лишь средством нагрева воздуха и увеличения тяги, однако фактически его роль существенно глубже, чем может показаться.

Так как эта труба издаёт стабильный звук, то значит, она является автоколебательной системой, в которой обязательно должен присутствовать источник энергии этих колебаний, собственно сама колебательная система и обратная связь.

Нетрудно понять, что источником энергии в нашем случае является нагреваемая сетка, в то время как колебательная система представлена столбом воздуха, находящимся внутри трубы, а в качестве обратной связи выступает акустический способ.

Допустим, что в силу каких-либо причин воздух внутри трубы начинает колебаться, и если бы источника энергии не было, эти возникшие колебания постепенно бы затухали. Однако у нас есть источник энергии, и он нагрет до достаточно высокой температуры.

Так как колебания у нас представляют собой зоны сжатия и разрежения, допустим, у нас сейчас идёт фаза сжатия, в ходе которой воздух несколько нагревается. Так как воздух уже несколько нагрет, он не может воспринять в ходе теплообмена прежний объём тепла — это приводит к тому, что температура нагревателя увеличивается (как у него не отбирают тепло в прежнем объёме). Воздух у нас нагрет, поэтому ускоряется его движение вверх по трубе, то есть увеличивается тяга.

В нижней части трубы тяга совпадает с направлением движения сжимающегося воздуха, таким образом, она усиливает сжатие воздуха трубы. В момент же разряжения происходит охлаждение воздуха в трубе, соответственно, отбирается больше тепла и его температура снижается, тяга в итоге тоже понижается.

Таким образом, колебания столба воздуха внутри трубы вызывают циклические изменения температуры нагревателя, в то время как изменения температуры нагревателя вызывают изменения тяги вверх по трубе, а изменяющаяся тяга уже воздействует на сами колебания столба воздуха. Другими словами, можно сказать, что в системе присутствует обратная связь.

В своё время физика работы этой трубы заинтересовала учёного Джона Уильяма Стретта (барон Рэлей), который выявил, что нагреватель должен располагаться в ¼ от нижнего конца трубы, так как именно такое его положение позволит обеспечить максимальную обратную связь и, соответственно, оптимальные условия работы этой автоколебательной системы.

Ещё один опыт с подобной трубой, а также с более простым объяснением вы можете увидеть ниже:

В литературе приводится любопытная информация об экспериментах, проведённых учёными ещё в 70-х годах: в качестве труб были взяты асбоцементные канализационные трубы длиной 120 см и внутренним диаметром 12 см. На удалении в ¼ от одного из концов трубы была закреплена спираль от электроплитки и после её нагрева прибор показал дословно «чрезвычайную эффективность»: звук был настолько громким, что дрожали оконные стёкла!

В дальнейшем конструкция была ещё усовершенствована (в целях большей компактности): в качестве труб были взяты трубы от ламп дневного света с отрезанными концами (0,5–1 м длиной и 36 мм внутренним диаметром), которые также превосходно работали…

Изучая это всё, появилась забавная мысль, что если расположить такую трубу (или ряд труб) в чаще леса, замаскировав в кронах деревьев, то она начала бы громко «петь» по мере нагрева. Думаю, это реально, если окрасить часть трубы в чёрный цвет и соединить её с сеткой внутри. На летнем солнце эта система, по идее, должна неплохо так раскаляться.

К примеру, является известным фактом, что поверхность автомобилей весьма сильно разогревается на солнце и температура лакокрасочного покрытия может превышать 100 градусов, кроме того, известны случаи плавления бамперов автомобилей на солнце.

А теперь представим, что этих труб несколько, разного размера и они снабжены неким механическим способом переключения между собой. Допустим, это некая крыльчатка, вращающаяся от ветра, содержащая отверстия в диске, расположенные по определённой логике и периодически открывающие и закрывающие трубы. Тогда можно попробовать получить настоящую мелодию…

Если вся эта конструкция хорошо спрятана, но в то же время находится на маршрутах, где появляются люди, то через какое-то время по городу поползут слухи, что в лесу завёлся леший или ещё кто… Именно так и рождаются легенды :-)

Картинка: mythological-creations.fandom.com