Немецкие физики предложили концепцию простого лабораторного эксперимента по изучению акустической дисперсии. Используя длинную стальную пружину и консервную банку, они воспроизвели звук бластера из «Звездных войн», для количественного анализа которого оказалось достаточно смартфона. Детали опыта опубликованы в The Physics Teacher.
Развитие экспериментальной физики идет по пути усложнения аппаратной части. Это необходимое условие для обнаружения новых эффектов и явлений, которые обогащают нашу картину мира. Вместе с тем, экспериментальная база, используемая в образовательном процессе, гораздо скромнее. Она ограничена множеством факторов, среди которых массовость, дешевизна и низкий порог навыков, которыми должны обладать обучающиеся, чтобы правильно и безопасно провести лабораторную работу.
Всеми этими качествами обладают современные смартфоны. Мы привыкли воспринимать их как средство коммуникации, но с точки зрения физика-экспериментатора смартфон — это гибкая техническая платформа, которая объединяет в себе сразу несколько источников какого-либо физического воздействия (свет, звук, вибрации), разнообразные детекторы (камера, микрофон, акселерометр и так далее), процессор для обработки сигнала и экран для вывода данных. К примеру, мы уже рассказывали, как насадка на смартфон превращает его в лабораторный спектрометр. Но чаще всего смартфоны используют для демонстрации разнообразных механических и акустических явлений, список которых продолжает пополняться.
Группа преподавателей физики из Германии при участии Кима Людвиг-Петш (Kim Ludwig-Petsch) из Технического университета Кайзерслаутерна предложили концепцию простого эксперимента по изучению акустической дисперсии. Их целью было воспроизвести и исследовать звук, который издает стреляющий бластер из «Звездных войн», в основе которого лежит это явление. В этом физикам помогла металлическая пружина, звук от которых обрабатывал смартфон или ноутбук.
Акустическая дисперсия (дисперсия звука) выражается в различной скорости, с которой разные частотные компоненты звука распространяются в материале. В однородных материалах высокие частоты распространяются, как правило, быстрее, чем низкие. Если путь, который проходят волны, достаточно большой и в нем нет затухания (например, длинный металлический провод), разницу во времени можно услышать невооруженным ухом. В частности, если начальный волновой пакет имеет непрерывный спектр, то в конце пути мы услышим сначала высокочастотный звук, который будет постепенно сменяться низкочастотным. Именно таким способом Бен Бёртт, работавший над звуковым дизайном «Звездных войн», создавал характерное «пиуу» (или, если точнее, «тиуу») для звука бластерной стрельбы.
Чтобы изучить этот эффект более наглядно, физики использовали стальную пружину с диаметром 34,8 миллиметра, диаметром жилы 1,7 миллиметра, 520 витками и общей протяженностью 56,8 метра. На демонстрационном этапе они присоединяли к концу висящей горизонтально пружины консервную банку, которая служила резонатором, усиливающим звук. Ударяя по другому концу ручкой или ногтем, физики слышали звук «тиуу», который свидетельствовал об акустической дисперсии в стали. С приближением точки удара к резонатору звук сокращался во времени.
Оказалось, что для количественного анализа этого эффекта можно использовать смартфон. Для временной развертки приходящего сигнала авторы использовали приложение phyphox, а для исследования зависимости его спектра от времени — приложение SpectrumView. Наблюдение за тем, как спектр меняется со временем, отсчитываемым от момента удара по пружине, наглядно подтвердило предположение о том, что более высокие частоты прибывают быстрее. Оно также выявляет сигналы эхо, которые не заметны невооруженным ухом. Изображение со смартфона позволило построить зависимость групповой скорости звука от частоты.
Точки на полученном графике имели довольно малые погрешности, что позволяло использовать опыт в качестве лабораторной работы для студентов. Однако в нем сохранялась систематическая ошибка, связанная с тем, что физики не знали точное время удара, поскольку сигнал об этом доходил до микрофона смартфона по воздуху и потому отставал на какое-то ощутимое время. Чтобы оценить эту ошибку, авторы повторили эксперимент с двумя микрофонами, расположенными в начале и конце пружины и подсоединенными к ноутбуку с установленной на нем программой Audacity. С помощью такой установки они повторили опыт и показали, что смартфонные измерения занижают измерения групповой скорости всего на половину статистической погрешности.
В будущем физики планируют расширить применимость предложенного эксперимента на исследования влияния натяжения пружины на ее акустические свойства. Кроме того, по их мнению, звуковую дисперсию можно будет исследовать и у других материалов. Например, звук, похожий на выстрел бластера, можно услышать, если бросать камешки на поверхность льда, покрывающего замерзшее озеро.
«Звездные войны» до сих пор остаются регулярным источником вдохновения для инженеров, физиков, химиков и прочих деятелей науки и техники по всему миру. Подробнее об этом читайте в нашей тематической подборке «May the 4th be with you!».
Марат Хамадеев