Мы собрали вертушку из четырёх пустых пластиковых бутылок, прикрепив их к крестовине, которая может вращаться с малым трением. Ставим вертушку рядом с мощной колонкой, включаем звук на полную громкость, и наша карусель начинает вращаться всё быстрее и быстрее! Неужели это реактивное движение?

Чтобы разобраться с акустическими характеристиками бутылки как резонатора Гельмгольца, мы сняли его амплитудно-частотную характеристику и нашли собственную частоту и добротность резонатора. Затем поставили бутылку на весы и убедились, что они действительно показывают наличие реактивной силы с максимумом вблизи собственной частоты, на которой мы и включали колонку в исходном опыте, чтобы совокупной тяги четырёх бутылок хватило на раскручивание вертушки.

Кстати, похожую установку использовали первооткрыватели эффекта, обнаружившие его независимо друг от друга, — А.Майер в 1876 и В.Дворжак 1878 году. А источниками звука у них служили камертоны с хорошо настроенными ящиками-резонаторами.

Но как направленная реактивная тяга вообще может создаваться внешним звуковым полем? Ведь воздух попеременно то входит в резонатор, то выходит из него, и кажется, что средняя сила, действующая на резонатор, должна быть равна нулю.

Первое объяснение дал Рэлей в своей книге «Теория звука» (1894-1896). Он указал, что для звуковых колебаний большой амплитуды нужно учесть нелинейную сжимаемость воздуха: воздух труднее сжать, чем расширить на тот же объём. Из этого следует, что среднее давление внутри бутылки должно быть больше атмосферного, за счёт чего и возникает реактивная сила.

Это избыточное давление нетрудно рассчитать и измерить, и экспериментальная зависимость, полученная командой «Школа Пифагора» в ходе решения задачи «Карусель Гельмгольца» к Международному турниру юных физиков в 2013 году, имела тот же характер, что и предсказывала теория Рэлея, и не слишком отклонялась от неё.

И вроде бы всё хорошо, но реактивное движение можно описывать на двух языках — языке давлений и сил и языке передачи импульса реактивной струе, и эти описания должны быть согласованы.

И вот тут с моделью Рэлея возникает проблема: в неё заложена обратимость движения воздуха, а для реактивного движения необходимо, чтобы всасывание и выбрасывание воздуха происходили несимметрично: при всасывании воздух заходит в резонатор со всех сторон, а при выбрасывании происходит формирование направленной струи, которую гидродинамики называют затопленной. Такой реактивный движитель мы уже обсуждали в ролике «Кораблик с паровым водомётом».

Беда в том, что для струи построить количественную теорию гораздо сложнее, а качественные соображения дают такой же характер зависимости реактивной силы от громкости звука, как и теория Рэлея! А если численные коэффициенты близки, то эксперимент «подтверждает» как одну, так и другую теорию. Так какая же из двух теорий правильная, и как это определить?

Смотрите наш новый ролик «Звуковая ракета», разгадывайте тайны акустики и не забывайте ставить лайки! А в конце ролика вас ждёт нечто неожиданное! ))

Выпуск создан при поддержке современной обучающей платформы «Точка знаний». Онлайн-уроки, их записи, конспекты занятий, обучающие материалы и общение с тьютором для школьников от 1 до 11 класса.