3.2.1. Механическое движение

Тема: Вращательное движение тела.

Демонстрация хула-хупа.

Хула-хуп – это пластмассовый или алюминиевый обруч, который можно крутить на талии, делая соответствующие движения телом (рис. 3.4). Подумайте, благодаря чему хула-хуп крутится и не падает. Сначала резким броском заставляете его вращаться у пояса, а затем удерживаете его вращательным движением бедер. Должна начальная скорость обруча быть больше той, с которой он будет вращаться в дальнейшем? Как поддерживаете его движение? Совпадает вращение обруча по фазе с вращением тела? Какая минимальная скорость движения вашего тела?

Ответ. Вращение хула-хупа поддерживается колебательным движением точки соприкосновения кольца с телом. При своем движении эта точка опережает вращение кольца вокруг тела. Начальная скорость хула-хупа должна быть больше, чем скорость вращения, которое установилось [7].

Рис. 3.4

Тема: Колебательное движение.

Демонстрация «Парадокса лучника».

Как бы точно не была нацелена стрела, но если тетива спущена и оперенный конец стрелы пролетает, не касаясь лука, тогда в полете стрела может отклониться от линии прицела на угол до 7˚ (рис. 3.5). «Парадокс лучника» состоит в том, что, несмотря на ее отклонение, верно нацеленная стрела все равно попадет в цель. Во-первых, почему возникает отклонение, и, во-вторых, если возникает, то почему стрела попадает в цель?

Рис. 3.5

Скоростная киносъемка стрельбы из лука показывает, что после того, как тетива спущена, стрела совсем не касается лука, даже в тот момент, когда мимо его пролетает оперенный конец стрелы. Как тогда стрела попадает в цель?

Ответ. Когда спускаете тетиву, стрела получает от нее и лука боковой импульс. Из-за колебаний, которые возникают, стрела огибает лук, не касаясь его. Но благодаря тому, что взаимодействия стрелы с дугой лука отсутствуют, колебания стрелы происходят у намеченного направления полета, и поэтому она попадает в цель [7].

Демонстрация вибрации барабана.

Если ударить с одной стороны по барабану, тогда колебаться, хотя и не сразу, будут обе его мембраны. Очевидно, энергия колебания периодически переходит от одной мембраны к другой, и они по очереди почти перестают колебаться. Почему это происходит?

Ответ. Представьте себе, что одна мембрана барабана колеблется, а другая – нет. Мембрана, которая движется, начинает возбуждать неподвижную, сжимая воздух, который находится между ними. Когда вторая мембрана переходит в колебательное движение, воздух внутри барабана начинает тормозить первую, и ее колебания постепенно затухают. Колебания второй мембраны достигают максимума, а колебания первой заканчиваются – мембраны меняются ролями и т. д.

Тема: Звук. Источники и приемники звука.

Демонстрация ниточного телефона.

Как действует ниточный телефон, которым играют дети? Как зависит частота звука на другом конце нити от ее натяжения и толщины, а также от размера жестянки? Как оценить, насколько больше звуковой энергии передается посредством ниточного телефона, чем без него?

Ответ. Голос вызывает вибрации банки, которые в свою очередь возбуждают волны в нити. Эти волны движутся на конец нити и заставляют колебаться дно второй банки, превращаясь таким образом в звук, который слышим. Вторая банка «не откликается» на низкие частоты, которые присутствуют в голосе говорящего, поэтому на другом конце нити голос воспринимается как высокий.

Демонстрация «музыкальных» игрушек.

1) Конструкция этой игрушки очень проста: кусок гофрированной пластиковой трубки вроде шланга от пылесоса, открытый с обоих концов. Если взять трубку за один конец и крутить над головой (рис. 3.6), раздается музыкальный звук. Чем выше скорость вращения, тем выше тон; переход от одной ноты к следующей происходит не плавно, а скачком. Если вооружить такими игрушками большую компанию, то звук будет страшным. Как образуется звук в этой игрушке и почему переход от тона к тону происходит скачкообразно? Влияет ли на частоту звука центростремительная сила, действующая на трубку?

Ответ. Воздушный поток в трубке направлен от того ее конца, который держат в руке, к свободному концу. Такой поток возникает потому, что в результате вращения трубки давление воздуха у конца, который движется, уменьшается, в то время как у другого оно равно атмосферному. Обтекая гофрированную поверхность трубки, воздух начинает вибрировать. Частота возникающих при этом колебаний зависит от расстояния между складками и скоростью воздушного потока. Из некоторого набора колебаний, которые возникли при данной скорости вращения, в трубке выделяется и усиливается ее собственная резонансная частота, которой и определяется тон, который слышим. Увеличивая скорость вращения, повышаем частоту колебаний, и в трубке выделяется более высокая гармоника [7].

Рис. 3.6

2) Посмотрите на эту птичку (рис. 3.7). Если закрыть канал с одной стороны пальцем, а с другой стороны в него подуть, то звука не будет слышно. Если открыть отверстие и подуть в игрушку, то раздаются веселые трели. Вы хотите узнать, почему поет птичка. Посмотрите такой опыт [9].

Рис. 3.7

Опыт 1. Если по камертону ударить молоточком, то камертон зазвучит. Поднесем к звучащему камертону маленький шарик, подвешенный на нити. Ветви камертона будут его периодически отталкивать. Это показывает, что ветви звучащего камертона колеблются. Как только прекращаются колебания камертона, исчезает и звук. Следовательно, источниками звука являются колеблющиеся тела.

В канале птички колебался воздух, а в этой игрушке (демонстрируем «водяного» соловья) будет колебаться вода. Ее колебания тоже станут источниками звука.

Опыт 2. Звуки бывают разной высоты (показываем свирель, свистим в нее). Высота тона зависит от частоты колебаний (демонстрируем действие сирены). Чем о большее число зубьев в единицу времени ударяется пластинка, тем выше звук.

Теперь посмотрите на другую игрушку – «Кот в сапогах» (рис. 3.8). Когда мы нажимаем на нее, воздух выходит из игрушки, а когда мы ее отпускаем – заходит внутрь игрушки. Игрушка постепенно распрямляется, воздух внутри нее колеблется, издавая звук.

«Говорящие» куклы умеют произносить: «Мама». Причина этого – колебания воздуха внутри кожаной коробочки с отверстиями, которую помещают внутрь игрушки. При наклоне куклы грузик, находящийся в коробочке, падает, заставляя воздух в ней сжиматься и выходить в отверстия. Колебания воздуха сопровождаются звуком.

Рис. 3.8

Причиной музыкальных звуков, издаваемых шарманкой, тоже являются колебания воздуха внутри нее. Чтобы звук был громче, ящик шарманки делают большим и полым.

Опыт 3. Вот посмотрите, как тихо звучит камертон (рис. 3.9), снятый с резонаторного ящика. Если же поставить камертон на ящик, то его колебания через стенки ящика передаются воздуху в нем. Вследствие этого воздух тоже начинает колебаться и издавать звук. Если частоты колебаний камертона и воздушного столба одинаковы, то происходит усиление звука – резонанс, Теперь вам понятно, для чего у шарманки, гитары, пианино делают резонаторные ящики.

Рис. 3.9

Мы познакомились только с некоторыми звуковыми игрушками. Думаю, что теперь вы сумеете объяснить принцип действия любых звуковых игрушек [9].