Скорость звука предложили измерять с помощью смартфона и телескопической трубы от пылесоса

Уругвайские преподаватели физики поделились способом измерения скорости звука с помощью телескопической трубы от пылесоса и смартфона с приложением для анализа звука. Простой домашний опыт позволит заменить ученикам работу в лаборатории, ограниченную пандемией. Исследование опубликовано в Physics Education, доступен его препринт.

Дистанционное образование долгое время оставалось второстепенной формой обучения, пока не случилась пандемия COVID-19. Сложнее всего было перестроиться естественным наукам, существенную часть которых составляют лабораторные работы. По этой причине усилия многих преподавателей физики направлены на то, чтобы предложить ученикам и студентам задания, которые они могли бы выполнить, не выходя из собственного дома.

Это оказалось выполнимой задачей. N + 1 регулярно освещает публикации, авторы которых делятся описанием таких работ для самых разных разделов физики: материаловедения, оптической спектроскопии, гидродинамики и многих других. Не последнюю роль при этом играют смартфоны. Будучи гибкой технической платформой с множеством возможностей, эти гаджеты применяются даже в «большой» науке, например, для диагностики инфекций или рака.

Новый пример использования смартфонов для нужд домашнего образования привела группа уругвайских физиков во главе с Мартином Монтейро (Martín Monteiro) из Уругвайского университета ORT. Они показали, как с помощью мобильного телефона и телескопической трубки от пылесоса измерить скорость звука.

Идея опыта основана на явлении акустического резонанса. Он возникает в тот момент, когда в резонаторе, например, в музыкальном инструменте, возникает стоячая волна. Такие резонансы характеризуются набором частот, чаще всего эквидистантным. Низшая из них определяет ноту музыкального инструмента, в то время как остальные гармоники формируют его характерный тембр.

Если резонатор представляет собой трубу с открытыми концами, то волна давления имеет на них узлы. Это означает, что на длине трубы всегда укладывается целое число полудлин волн. Измеряя частоту всех резонансов и зная размер резонатора, можно сделать вывод о скорости звука в нем.

Чтобы измерять частоты, авторы предлагают использовать смартфон с установленным на нем приложением, позволяющим анализировать спектр звука, попадающего на микрофон, с помощью быстрого преобразования Фурье. Существует множество бесплатных приложений, подходящих для этого. Физики остановили свой выбор на Advanced Spectrum. В качестве резонатора они использовали телескопическую трубу пылесоса. Возможность изменения длины резонатора важна, поскольку измерения одной и той же величины при различных условиях эксперимента всегда дают более точный результат.

Авторы возбуждали в трубе резонанс с помощью резкого удара ладонью с одного конца и измеряли спектр с другого. Затем физики строили зависимость частоты основного тона от обратной длины трубы. Теория предписывает ей линейное нарастание с тангенсом угла наклона, равным удвоенному значению скорости звука. Извлекая это значение из аппроксимации, авторы получили значение 343 ± 3 метра в секунду, что хорошо сходится с известным значением для воздуха при нормальных условиях.

В общем случае скорость звука может зависеть от частоты. Эффект акустической дисперсии более выражен в твердых телах, и его тоже можно измерить с помощью смартфона. Звук при этом будет напоминать выстрел бластера из «Звездных войн».

Реклама: ООО «ОМД Эвиденс», ИНН 7727306019.