Как воздух отражает воздух

marta-inj — 28.09.2024
Вот есть флейта (и другие духовые инструменты): зажимаешь отверстие, столб воздуха удлиняется, звук становится ниже.
При этом - что интересно - у флейты конец трубки открытый, и столб воздуха во флейте каким-то образом отделяется от наружного воздуха и гоняет волны внутри себя. Хотя вроде бы непосредственно с этим наружным воздухом контактирует.

Волны в воздушном столбе внутри трубки отражаются от воздуха вне трубки. Даже не так: всего лишь убрав палец с отверстия, музыкант делает оставшуюся часть воздуха в трубке отражающей.
Когда волна сталкивается с границей, которая ни жесткая, ни мягкая, а что-то промежуточное, часть волны отражается от границы, а часть проходит через границу. Зависит отражение и переход волны от свойств материала по обеим сторонам границы.
От высокой скорости к низкой (от низкой плотности к высокой)

На анимации волна идет из области низкой плотности (с высокой скоростью волны) в область высокой плотности (с низкой скоростью волны).

От низкой скорости к высокой (от высокой плотности к низкой)

На этой анимации падающая волна переходит из области высокой плотности (низкая скорость волны) в область низкой плотности (высокая скорость волны).

Почему воздух в трубке частично быстрый, а частично медленный? А снаружи воздух медленней, чем внутри флейты (как если бы он был более плотным)?

А вот так! Закон Бернулли: чем быстрее движется жидкость, тем меньше в ней давление (как если бы уменьшилась плотность)

Плотностью вообще-то считается количество частиц/атомов в единице объема. Меньше ли количество атомов в единице объема движущейся жидкости или газа - неизвестно. Скорей всего нет. Но "как бы плотность" меняется настолько, что жидкость/газ расслаиваются и начинают гонять волны с разной скоростью и, значит, отражать их.

Почему же воздух снаружи "медленней", чем внутри флейты? Потому, что он весь связан друг с другом, представляет собой как бы единую инертную массу. Достаточно музыканту убрать палец с отверстия, как за короткое время воздух под этим отверстием становится "медленным", единым с окружающим воздухом и отражающим звуковые волны внутри. И действительно, с какой частотой исполнитель способен переставлять пальцы? Ну, максимум 10 раз в секунду. А частоты звука во флейте от 240 до 2300 Гц. Разницы достаточно для создания отражающей поверхности и резонанса звуковых волн в оставшемся воздушном столбе.
Этот столб воздуха внутри флейты как бы отделяется от окружающего воздуха и начинает жить собственной жизнью: музыкант сообщает ему энергию, и в нем начинают бегать с достаточной скоростью волны, которые как бы уменьшают плотность этого воздуха и, складываясь, рождают звуки.

Что-то похожее происходит с воздухом под действием тепла и солнца: закручиваются струи восходящего воздуха, которые начинают отражать свет, изгибать волны (рефракция), а также нечто подобное происходит с границей страто-тропосфера.
Термоклин и тропопауза
Видим ли мы миражи?

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив