Текст книги "Мыльные пузыри"
Автор книги: Чарльз Бойс
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 8 страниц)
Рис. 40.
Действие различных нот может быть легко обнаружено, если кто-нибудь пропоет их перед куском дерева, поддерживающим трубочку, через которую бьет фонтан. Я произведу шумы различной высоты, которые для этой цели, пожалуй, лучше музыкальных звуков, и вы видите, что с каждым новым звуком фонтан приобретает иной вид. Многих, вероятно, удивит, каким образом такие ничтожные причины – кусок сургуча, коптящее пламя, масло или более или менее музыкальный шум – могут давать такой загадочный результат, однако, объяснение этого явления не так трудно, как можно было бы ожидать.
Вспомним, чтó я говорил относительно столбика жидкости цилиндрической формы. Если длина его немного больше чем в три раза превосходит диаметр, он не в состоянии сохранять свою форму; если сделать так, чтобы длина его стала значительно превышать его диаметр, он распадется на ряды капель. Теперь, если каким-либо путем образуется ряд шеек на цилиндре с промежутками, меньшими, чем три диаметра, то некоторые из этих перетяжек исчезнут, потому что часть цилиндра, длиной меньше трех диаметров, устойчива. Если перетяжки получатся на расстояниях, приблизительно равных трем диаметрам (случай неустойчивой формы), то шейки с течением времени будут перетягиваться все сильнее, и, наконец, струя разорвется, образуя отдельные капельки. Если же шейки возникнут на расстояниях, удаленных друг от друга более чем в три диаметра, тогда цилиндр также разорвется вследствие сужения этих шеек. Легче всего он разорвется на капли тогда, когда шейки окажутся одна от другой как раз на расстоянии четырех с половиной диаметров. Другими словами, если фонтан будет бить из трубочки, находящейся в полном покое, струя легче всего будет разбиваться на капли на расстоянии в четыре с половиной диаметра.
Эта струя разобьется на большое число малых капель или на малое число больших капель в зависимости от того, где будут образовываться едва заметные перетяжки при легких нарушениях равновесия струи. Когда мы заставляем фонтан бить из трубочки, укрепленной насколько возможно неподвижно, то достаточно случайных сотрясений всевозможного рода, чтобы они вызвали на вытекающем цилиндре легкие сужения и расширения на различных расстояниях друг от друга. Тогда струя разбивается на капли различных размеров, отделенные одна от другой неодинаковыми промежутками. Перед разделением этих капель образуются, как вы видели, перетяжки, причем упругость поверхностной перепонки перехвата тянет капли навстречу друг другу; так как в воздухе они могут свободно двигаться, то задняя капля должна стремиться вперед, а та, что находится впереди, отставать; таким образом, эти капли, если только они не будут совершенно сходны между собой по размерам и разделяющим их промежуткам, начнут вскоре сталкиваться одна с другой. Естественно предположить, что они, сталкиваясь одна с другой, будут сливаться вместе, но я могу вам сейчас показать, что этого не происходит: они отскакивают одна от другой благодаря упругости поверхностного слоя. Очевидно, когда образуется целый ряд капель различной величины и с неодинаковыми промежутками между ними и эти капли часто сталкиваются между собой, такие капли будут разлетаться в разные стороны и падать на широкую площадь подложенной внизу бумаги, как вы только что видели.
Какое же действие оказывают на струю палочка сургуча, коптящее пламя или масло? Каким образом музыкальный звук может остановить разбрасывание капель? Возьмем сначала палочку сургуча. Кусок сургуча, потертый о суконную материю вашего костюма, электризуется и начинает притягивать кусочки бумаги. Наэлектризованный сургуч, действуя на водяные капли, помогает их взаимному притяжению, правда, очень слабому, но все же достаточному, чтобы помочь им преодолеть сопротивление разделяющего их слоя воздуха и слиться вместе. Вот я поместил перед фонарем две струи чистой воды, бьющие из разных сосудов, и вы видите, что они отскакивают одна от другой (рис. 41).
Рис. 41.
Чтобы показать, что это в самом деле так, я окрасил воду в обоих сосудах в разные цвета. Теперь я отхожу на другой конец комнаты и вынимаю из кармана сургуч; в одно мгновение вид струй меняется; они сливаются вместе (рис. 42).
Рис. 42.
Это можно повторять сколько угодно раз и всегда с одинаковым успехом. Две взаимно отталкивающиеся струи дают нам в руки один из самых тонких способов открывать присутствие электричества. Теперь вам станет понятным первый мой опыт. Отдельные капли, отскакивающие одна от другой и рассыпающиеся в разных направлениях, теряют эту способность, когда к ним приближается наэлектризованный кусок сургуча. Они начинают сливаться, и вместо большого числа маленьких капелек, падающих в: различных направлениях на бумагу, струя течет в виде одной линии с крупными каплями, подобными каплям грозового ливня, падающими одна за другой в одну и ту же точку. Не подлежит сомнению, что именно по этой причине капли дождя во время грозы отличаются такой величиной.
Отскакивающие друг от друга водяные струи так чувствительны, что ими можно воспользоваться в качестве приемника сигналов беспроволочного телеграфа, если взять проводящую электричество разведенную серную кислоту; воспринимающая цепь прерывается воздушным промежутком между струями. Я приспособил маленький приемник таким образом, что, когда в конец рычажка ударяют слившиеся струи, другой конец приходит в соприкосновение с одной из отдельных струй. Это немедленно приводит к их разделению, и наш прибор снова готов к принятию сигнала. Стоит отметить интересное явление, которое легко наблюдать, когда прибор установлен в большом зале, на другом конце которого помещен вибратор для получения искр. Колебания приемника, как видно на экране, предупреждают звук искры: дело тут в том, что действие на струи получается почти одновременно с возникновением искры, звук же доходит сюда примерно на одну десятую секунды позже.
Коптящее пламя тоже заставляет струю течь в виде одной линии. Причина, вероятно, в том, что частицы копоти пробивают воздушную преграду подобно тому, как пылинки воздуха способствуют слиянию струй, когда они подвергаются действию электричества. Такое же действие оказывает сгущающееся на поверхности воды маслянистое вещество, потому что масло само по себе действует совершенно так же, как и пламя; но действие масла в этом случае, как и его успокаивающее действие на волнующееся море, может быть понято далеко не так легко.
Когда я приближаю сургуч, капли начинают сливаться; но затем они наэлектризовываются так сильно, что отталкивают друг друга, как это происходит вообще с двумя одинаково наэлектризованными телами, и таким образом снова под действием электричества возникает разбрасывание капель.
Вероятно, вы уже понимаете теперь, почему звучащий камертон заставлял капли следовать по одной линии, однако, я все же остановлюсь на этом. Музыкальный звук, как хорошо известно, вызывается быстрыми колебаниями ножек камертона; чем быстрее колебания, тем выше получающийся тон. Возьмем зубчатое колесо, которое можно вращать с очень большой быстротой. Когда оно вращается медленно, вы слышите, как отдельные зубья ударяют о картон, который я держу в другой руке. Я сообщаю колесу более быстрое движение, и картон начинает издавать низкий тон. По мере того как я привожу колесо во все более быстрое вращение, высота тона все возрастает, и, если бы я мог сообщить колесу достаточную скорость, звук получился бы настолько высоким, что вы перестали бы его слышать. Камертон колеблется с определенней частотой и потому дает определенную ноту. Наш камертон совершает сейчас 128 колебаний в секунду. Поэтому в нашем опыте и кончик трубки, из которого бьет фонтан, тоже колеблется, но почти нечувствительно, 128 раз в секунду, и вылетающая струя воды получает в секунду 128 едва заметных перехватов. Будут ли эти перехваты находиться друг от друга на расстоянии четырех с половиной диаметров цилиндра, это будет зависеть от диаметра струи и от скорости вытекания жидкости.
Когда струя большая, то вода для этого должна вытекать быстро или под большим давлением; при маленькой струйке достаточно и меньшей скорости. Если случится, что образовавшиеся таким образом перехваты будут где-нибудь отделены промежутками, приблизительно равными четырем с половиной диаметрам струи, они будут усиливаться с довольно большой скоростью, хотя, если сделать очень точный рисунок струи, вы вначале не откроете здесь ни малейшего сокращения диаметра. Водяной столб разобьется на одинаковые капли, причем каждая будет подобна той, которая расположена позади, и той, которая летит впереди, тогда как, если бы столб воды разбился под влиянием случайных сотрясений, все капли были бы различны. А раз все капли во всех отношениях сходны, они неизбежно будут следовать все в одном направлении, образуя одну непрерывную на вид струю. Когда перехваты образовались на расстоянии около четырех с половиной диаметров, разрывание струи происходит с наибольшей легкостью; но она будет, как я сказал, разбиваться и под влиянием целого ряда других звуков, которые могут вызвать перехваты на расстояниях, превышающих три диаметра. Если одновременно звучат две ноты, тогда очень часто каждая производит свой эффект, и в результате будут возникать капли различной величины, что в свою очередь приведет к образованию двойной струи. Таким образом можно получить три, четыре и даже большее число отдельных струй.
Я могу теперь показать вам фотографические снимки нескольких таких музыкальных фонтанов, сделанные при свете мгновенной вспышки электрической искры.
Вы видите, что капли различных размеров описывают различные пути (рис. 43).
Рис. 43.
На одном фотографическом снимке вы видите восемь различных струек, бьющих из одной общей струи, но следующих совершенно различными путями, причем каждая из них представляет правильный ряд одинаковых капель. На этих же фотографических снимках вы можете также видеть столкновение капель, сопровождающееся их сплющиванием в момент удара, подобным сплющиванию двух резиновых мячей. На фотографическом снимке, спроектированном теперь на экране, видно, как происходит столкновение капель в месте, отмеченном на рисунке крестиком. Верхняя и расположенная впереди капля получает толчок вперед, другая же замедляется в своем движении, а потому обе капли приобретают различные скорости в слегка различных направлениях.
Вот почему потом они и следуют разными путями. Маленькие капельки, без сомнения, подверглись подобному же воздействию, но часть фонтана, где это произошло, оказалась вне фотографической пластинки, и потому это явление осталось неотмеченным. Под влиянием музыкального звука от основной струи фонтана отделяются очень маленькие капельки, о которых я уже много говорил, и описывают свои собственные маленькие кривые, совершенно отличные от кривой главной струи. Конечно, они попадают на боковые пути после одного или двух столкновений с большими правильными каплями. Вы легко можете увидеть, что они действительно образуются под тем местом, где появляются впервые, если поднесете к струе у самого ее начала кусок наэлектризованного сургуча и затем станете постепенно поднимать его. Когда сургуч окажется против того места, где в действительности образуются маленькие капельки, он будет оказывать на них более могущественное действие, чем на большие капли, и будет вытягивать их оттуда, где за мгновение до того, казалось, их вовсе не существует. Тогда они начинают описывать вокруг сургуча правильные маленькие орбиты, подобно планетам, описывающим свои пути вокруг солнца; но в этом случае вследствие сопротивления воздуха орбиты превращаются в спирали, и маленькие капельки после нескольких обращений падают в конце концов на палочку сургуча, совершенно так же, как после многих и многих обращений упали бы на солнце планеты, если бы их движение в пространстве задерживалось сопротивлением какой-либо среды.
Чтобы покончить с музыкальной струей, добавим, что вы можете сами наблюдать все эти капли в их различных положениях в настоящем фонтане. Если бы я произвел мощную электрическую искру, то некоторые из вас, вероятно, увидели бы на мгновение всю картину; однако, большинство, я думаю, не увидело бы вовсе ничего. Поэтому я поступлю иначе. Вместо одной искры я произведу целый ряд искр с таким расчетом, чтобы за промежутки времени между искрами капли успели переместиться на пространства, их разделяющие, и каждая капля в момент вспыхивания света успела занять место своей предшественницы. При вспыхивании ряда искр все капли будут занимать одни и те же положения и будут казаться застывшими неподвижно в воздухе, тогда как в действительности они движутся и притом довольно быстро. Если же промежутки между отдельными искрами будут иными, тогда перед нами окажется любопытное явление. Предположим, например, что сначала вспышки света следуют одна за другой слишком быстро. Тогда каждая капля не успеет попасть на надлежащее место, и, таким образом, при второй вспышке света мы увидим все капли в местах, находящихся несколько позади прежнего расположения капель. При третьей вспышке мы увидим, что они еще больше отстали от своего первоначального положения, и т. д., а потому нам будет казаться, что капли медленно перемещаются назад. Наоборот, если вспышки света будут следовать одна за другой недостаточно быстро, тогда за промежутки времени между вспышками капли будут успевать перемещаться несколько дальше своих первоначальных положений, и нам будет казаться, что они медленно передвигаются вперед.
А теперь приступим к опыту. Вот тут у нас электрический фонарь, посылающий на экран сильный пучок света. При помощи чечевицы я собираю пучок света в фокусе, а затем пропускаю его через маленькое отверстие в куске картона. Свет расходится широким конусом и падает на экран. Фонтан воды помещается между картоном и экраном, и таким образом на экран отбрасывается довольно явственная тень. Теперь я помещаю непосредственно позади куска картона маленький электродвигатель, с помощью которого можно привести в очень быстрое вращение диск картона с шестью отверстиями, расположенными по самому его краю. Отверстия диска приходятся по очереди против единственного отверстия в неподвижном куске картона, и таким образом при каждом полном обороте диска у нас получится шесть вспышек света. Когда диск будет обращаться 21 1/3 раза в секунду, тогда вспышки света будут следовать одна за другой с надлежащей частотой. Я пускаю мотор и через несколько секунд получаю надлежащую скорость. Убедиться в этом я могу, продувая воздух через отверстия: получающийся при этом музыкальный звук будет большей высоты, чем у камертона, если скорость слишком велика, меньшей высоты, чем у камертона, если скорость слишком мала, и совершенно такой же высоты, как у камертона, когда скорость как раз такая, какая нам нужна.
Чтобы сделать еще более заметным момент, когда получится надлежащая скорость, я поместил между фонарем и экраном еще и камертон; вы видите освещенными его и тень его на экране. Струя воды еще не начала бить, однако, я прошу обратить внимание на камертон. Я останавливаю двигатель, освещение из прерывистого сделалось непрерывным. Вы видите, что камертон колеблется, потому что концы его ножек, где движение, естественно, должно быть наиболее быстрым, мы видим не отчетливо. Теперь мотор пущен в ход, и почти сразу вид камертона меняется. Он теперь похож на кусок резины, медленно раскрывающийся и складывающийся, а вот он кажется совершенно неподвижным, однако, производимый им звук показывает, что он никоим образом не находится в покое. Ножки камертона колеблются, но свет падает на них через правильные промежутки времени, соответствующие периоду их колебаний, а потому, как в разобранном случае водяных капель, ножки камертона кажутся нам совершенно неподвижными. Теперь скорость слегка изменилась, и, как я уже объяснил, каждая новая вспышка света возникает или слишком рано, или слишком поздно и показывает нам ножки камертона в положениях, несколько впереди или позади тех, в которых мы видели их при предшествующей вспышке. Вы видите таким образом, что ножки камертона медленно совершают свои эволюции, хотя в действительности они колеблются вперед и назад 128 раз в секунду. При взгляде на камертон или его тень вы в состоянии установить, совпадают ли промежутки между вспышками света с периодом колебаний камертона, а следовательно и водяных капель.
Теперь фонтан приведен в действие, и вы видите, что все отдельные капли кажутся неподвижными, подобно жемчужинам или серебряному бисеру, нанизанному на невидимую нить (рис. 44).
Рис. 44.
Если заставить диск вращаться хотя бы чуть-чуть медленнее, тогда кажется, что все капли медленно передвигаются вперед, и – что красивее всего – можно наблюдать, как постепенно отрывается каждая капля, причем образующийся при этом перехват превращается в маленькую капельку. Когда главная капля освободится, она начинает медленно пульсировать, становясь то продолговатой, то плоской, или же вращаться по мере передвижения по своему пути. Когда случится, что образуется двойная или многократная струя, тогда вы можете наблюдать, как маленькие капельки движутся одна навстречу другой, сдавливают одна другую и потом снова разлетаются в разные стороны. Теперь диск вращается несколько быстрее, и кажется, что капли медленно движутся назад, как будто вода поднимается из чашки на полу, спокойно проходит над моей головой обратно в трубку, из которой бьет фонтан, и поступает обратно в сосуд с водой. В действительности такого явления, как вы хорошо знаете, не происходит, в чем вы можете убедиться, если я просто помещу палец между двумя из этих капель. Расплескивание воды по всем направлениям показывает, что она движется далеко не так спокойно, как кажется. Еще одно необходимо добавить в связи с этим опытом. Каждый раз, когда вспыхивающий свет выигрывает или теряет одну полную вспышку по сравнению с колебаниями камертона, нам кажется, что камертон совершает одно полное колебание, и водяные капли кажутся переместившимися назад или вперед на одно место.
Водяной микрофон
Теперь я перейду к одному из самых красивых, какие только можно вообразить, применений этих музыкальных струй для практических целей. То, что я теперь предполагаю показать, представляет немногое из большого числа опытов Чичестера Белля, двоюродного брата Грэхема Белля, изобретателя телефона.
Сначала я беру очень маленькую струю воды, вытекающую из трубочки под большим давлением, что вы можете видеть, когда я направляю струю в потолок: вода поднимается на два с лишним метра. Когда я заставлю эту струю воды ударять в резиновую перепонку, натянутую на конец трубки толщиною в мой мизинец, тогда перепонка будет вдавливаться водой, и тем больше, чем сильнее струя. Теперь, когда я держу отверстие, из которого бьет струя, у самой перепонки, гладкий столбик жидкости надавливает на нее, и она остается в покое; но если я стану постепенно удалять отверстие от перепонки, тогда некоторые перехваты, которые могли образоваться на столбике воды и число которых возрастает по мере передвижения, обнаруживают свое существование вполне очевидным образом. Когда в перепонку ударяет утолщенная часть столбика, перепонка подвергается несколько большему нажиму, чем обыкновенно, а когда следует суженная часть, давление ослабляется. Другими словами, очень слабое колебание, сообщенное струе, будет усиливаться по мере роста перехватов, и резиновая перепонка будет воспроизводить эти колебания, но в увеличенном масштабе. Теперь, если вы вспомните, что звук обусловливается колебаниями какого-либо тела, вы поймете, что наша струя представляет собой прибор для усиления звука. Чтобы убедить вас в справедливости сказанного, я направляю струю на перепонку, и вы сначала не слышите ничего. Но вот я приставляю к трубочке, из которой бьет струя воды, кусок дерева (рис. 45).
Рис. 45.
Теперь, если струя вообще стремится разбиться при одной частоте колебаний легче, чем при другой, или если кусок дерева или перепонка легче колеблются при какой-нибудь определенной частоте, тогда первые же колебания, соответствующие этой частоте, передадутся куску дерева, который сообщит их трубке, а та в свою очередь столбику воды и перепонке, где они будут усилены. Результат получится тот, что струя немедленно начнет петь собственную мелодию, воспроизводя громкий тон.
Теперь я удаляю кусок дерева и прикладываю к трубочке обыкновенные карманные часы. Сотрясения корпуса при постукивании маятника так ничтожны, что вы не в состоянии обнаружить их. Но эти сотрясения, передаваясь трубочке, обусловливают образование перехватов на струе воды, которые усиливаются по мере ее движения, и в результате получается такое громкое тиканье, что его можно слышать во всех углах этой большой комнаты (рис. 46).
Рис. 46.
Теперь я хотел бы показать вам, как усиливаются колебания при описанном только что явлении. Я опять подношу трубочку, из которой бьет вода, вплотную к резиновой перепонке, и вы опять не слышите ничего. По мере того как я постепенно удаляю трубочку, слышится слабый звук который становится все громче и громче, пока, наконец, он не начинает походить больше на стук молота о наковальню, чем на тиканье карманных часов.
Теперь я заменю эти часы другими, так называемыми часами с репетицией. Если нажать кнопку, они начинают бить сначала часы, затем четверти и, наконец минуты. Я надеюсь, что водяная струя даст вам всем возможность услышать, который теперь час. Слушайте! Раз, два, три, четыре… раз, два… раз, два, три, четыре, пять, шесть. Тридцать шесть минут пятого. Вы замечаете, что струя воды не только дала вам возможность слышать удары, но и добросовестно воспроизводила музыкальные ноты, так что вы в состоянии отличить одну ноту от другой.
Подобным же образом я могу заставить фонтан исполнить некоторую мелодию, просто приставив к трубочке длинную палку, другой конец которой упирается в музыкальный ящик. Как вы видите, прибор находится в другом ящике, завернутом в толстую двойную войлочную оболочку и тщательно закрытом, так что вы едва ли можете слышать что-либо; но в тот момент, когда к трубочке приставляется палка и вода направляется на резиновую перепонку, звуки музыкального ящика раздаются громко и слышны, я надеюсь во всех углах этой комнаты. Обыкновенно, описывая фонтан, говорят, что он играет; теперь мы видим, что фонтан может играть даже музыкальную пьесу. Но тут есть одна занятная особенность. При известной частоте колебаний струя разбивается легче, чем при какой-либо иной, или, другими словами, на некоторые звуки она отвечает как бы охотнее, чем на другие. Вы слышите, что, когда музыкальный ящик начинает играть, некоторые ноты особенно забавно подчеркиваются, напоминая тот же самый эффект, который получается, если на струны рояля положить монету.
