Акустический секундомер смартфона смог точно измерить постоянную свободного падения

Китайские физики описали простой, но довольно точный опыт по измерению постоянной свободного падения с помощью смартфона. Его идея основана на использовании акустического секундомера, который запускается и останавливается, когда к микрофону поступает достаточно громкий звук. Работа опубликована в The Physics Teacher.

Концепция мобильного телефона со временем развилась в нечто большее, чем просто аппарат для автономной радиосвязи. Установка в гаджеты различных камер, сенсоров и мощных процессоров превратила их в универсальные устройства, которые оказались очень полезны в образовании, поскольку позволяют проводить простые опыты без необходимости посещать лаборатории. Например, с их помощью можно измерять скорость звука, изучать акустическую дисперсию и проводить спектроскопический анализ крови.

Другая простая задача, где может пригодиться смартфон, это опыты по измерению постоянной свободного падения. Их суть заключается в измерении координаты и времени начала и конца падения тела, после чего постоянную можно вычислить по школьной формуле. Проблема заключается в том, что ручной запуск и остановка секундомера страдает от неточности и задержек.

Элегантный способ решить эту проблему нашла группа физиков, работающих в Нанкинском педагогическом университете, под руководством Вэй Чжуан (Wei Zhuang). Они воспользовались опцией «Акустический секундомер», которую предоставляет приложение для доступа к датчикам смартфона phyphox. Ее суть в том, что секундомер в телефоне начинает работать в тот момент, когда к микрофону устройства поступает достаточно громкий звук. Аналогичный сигнал останавливает измерение времени.

Физики располагали стальной шарик на конце тонкой полоски из дерева, которая выступала за краем некоторой возвышенности. Аккуратно ударяя по полоске металлической линейкой, они не только высвобождали шарик в свободное падение, но и создавали первый звуковой триггер для секундомера. Вторым сигналом был непосредственно удар шарика об пол.

Для извлечения постоянной свободного падения авторы проводили серию экспериментов на разных высотах. В этой роли выступили ступени лестницы. Нужная величина получалась подгонкой зависимости высоты от квадрата времени падения линейной функцией. При этом физики оценили вклад в задержку, связанный с конечностью скорости звука: как для начального, так и для конечного триггеров он оказался пренебрежимо малым. В результате эксперимента они получили значение, равное 9,76 ± 0,04 метра на секунду в квадрате, что хорошо согласуется с теоретическим для Нанкина значением в 9,795 метра на секунду в квадрате.

Помимо простых образовательных экспериментов, смартфоны применяют в «большой» науке. Мы рассказывали, как эти гаджеты помогают диагностировать инфекции, выявлять мутации в ДНК и активировать механизм захвата на основе Венериной мухоловки.