Мыльные пузыри: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

А теперь приступим к опыту. Вот тут у нас электрический фонарь, посылающий на экран сильный пучок света. При помощи чечевицы я собираю пучок света в фокусе, а затем пропускаю его через маленькое отверстие в куске картона. Свет расходится широким конусом и падает на экран. Фонтан воды помещается между картоном и экраном, и таким образом на экран отбрасывается довольно явственная тень. Теперь я помещаю непосредственно позади куска картона маленький электродвигатель, с помощью которого можно привести в очень быстрое вращение диск картона с шестью отверстиями, расположенными по самому его краю. Отверстия диска приходятся по очереди против единственного отверстия в неподвижном куске картона, и таким образом при каждом полном обороте диска у нас получится шесть вспышек света. Когда диск будет обращаться 21 1/3 раза в секунду, тогда вспышки света будут следовать одна за другой с надлежащей частотой. Я пускаю мотор и через несколько секунд получаю надлежащую скорость. Убедиться в этом я могу, продувая воздух через отверстия: получающийся при этом музыкальный звук будет большей высоты, чем у камертона, если скорость слишком велика, меньшей высоты, чем у камертона, если скорость слишком мала, и совершенно такой же высоты, как у камертона, когда скорость как раз такая, какая нам нужна.

Чтобы сделать еще более заметным момент, когда получится надлежащая скорость, я поместил между фонарем и экраном еще и камертон; вы видите освещенными его и тень его на экране. Струя воды еще не начала бить, однако, я прошу обратить внимание на камертон. Я останавливаю двигатель, освещение из прерывистого сделалось непрерывным. Вы видите, что камертон колеблется, потому что концы его ножек, где движение, естественно, должно быть наиболее быстрым, мы видим не отчетливо. Теперь мотор пущен в ход, и почти сразу вид камертона меняется. Он теперь похож на кусок резины, медленно раскрывающийся и складывающийся, а вот он кажется совершенно неподвижным, однако, производимый им звук показывает, что он никоим образом не находится в покое. Ножки камертона колеблются, но свет падает на них через правильные промежутки времени, соответствующие периоду их колебаний, а потому, как в разобранном случае водяных капель, ножки камертона кажутся нам совершенно неподвижными. Теперь скорость слегка изменилась, и, как я уже объяснил, каждая новая вспышка света возникает или слишком рано, или слишком поздно и показывает нам ножки камертона в положениях, несколько впереди или позади тех, в которых мы видели их при предшествующей вспышке. Вы видите таким образом, что ножки камертона медленно совершают свои эволюции, хотя в действительности они колеблются вперед и назад 128 раз в секунду. При взгляде на камертон или его тень вы в состоянии установить, совпадают ли промежутки между вспышками света с периодом колебаний камертона, а следовательно и водяных капель.

Теперь фонтан приведен в действие, и вы видите, что все отдельные капли кажутся неподвижными, подобно жемчужинам или серебряному бисеру, нанизанному на невидимую нить (рис. 44).

Рис. 44.

Если заставить диск вращаться хотя бы чуть-чуть медленнее, тогда кажется, что все капли медленно передвигаются вперед, и — что красивее всего — можно наблюдать, как постепенно отрывается каждая капля, причем образующийся при этом перехват превращается в маленькую капельку. Когда главная капля освободится, она начинает медленно пульсировать, становясь то продолговатой, то плоской, или же вращаться по мере передвижения по своему пути. Когда случится, что образуется двойная или многократная струя, тогда вы можете наблюдать, как маленькие капельки движутся одна навстречу другой, сдавливают одна другую и потом снова разлетаются в разные стороны. Теперь диск вращается несколько быстрее, и кажется, что капли медленно движутся назад, как будто вода поднимается из чашки на полу, спокойно проходит над моей головой обратно в трубку, из которой бьет фонтан, и поступает обратно в сосуд с водой. В действительности такого явления, как вы хорошо знаете, не происходит, в чем вы можете убедиться, если я просто помещу палец между двумя из этих капель. Расплескивание воды по всем направлениям показывает, что она движется далеко не так спокойно, как кажется. Еще одно необходимо добавить в связи с этим опытом. Каждый раз, когда вспыхивающий свет выигрывает или теряет одну полную вспышку по сравнению с колебаниями камертона, нам кажется, что камертон совершает одно полное колебание, и водяные капли кажутся переместившимися назад или вперед на одно место.

Водяной микрофон

Теперь я перейду к одному из самых красивых, какие только можно вообразить, применений этих музыкальных струй для практических целей. То, что я теперь предполагаю показать, представляет немногое из большого числа опытов Чичестера Белля, двоюродного брата Грэхема Белля, изобретателя телефона.

Сначала я беру очень маленькую струю воды, вытекающую из трубочки под большим давлением, что вы можете видеть, когда я направляю струю в потолок: вода поднимается на два с лишним метра. Когда я заставлю эту струю воды ударять в резиновую перепонку, натянутую на конец трубки толщиною в мой мизинец, тогда перепонка будет вдавливаться водой, и тем больше, чем сильнее струя. Теперь, когда я держу отверстие, из которого бьет струя, у самой перепонки, гладкий столбик жидкости надавливает на нее, и она остается в покое; но если я стану постепенно удалять отверстие от перепонки, тогда некоторые перехваты, которые могли образоваться на столбике воды и число которых возрастает по мере передвижения, обнаруживают свое существование вполне очевидным образом. Когда в перепонку ударяет утолщенная часть столбика, перепонка подвергается несколько большему нажиму, чем обыкновенно, а когда следует суженная часть, давление ослабляется. Другими словами, очень слабое колебание, сообщенное струе, будет усиливаться по мере роста перехватов, и резиновая перепонка будет воспроизводить эти колебания, но в увеличенном масштабе. Теперь, если вы вспомните, что звук обусловливается колебаниями какого-либо тела, вы поймете, что наша струя представляет собой прибор для усиления звука. Чтобы убедить вас в справедливости сказанного, я направляю струю на перепонку, и вы сначала не слышите ничего. Но вот я приставляю к трубочке, из которой бьет струя воды, кусок дерева (рис. 45).

Рис. 45.

Теперь, если струя вообще стремится разбиться при одной частоте колебаний легче, чем при другой, или если кусок дерева или перепонка легче колеблются при какой-нибудь определенной частоте, тогда первые же колебания, соответствующие этой частоте, передадутся куску дерева, который сообщит их трубке, а та в свою очередь столбику воды и перепонке, где они будут усилены. Результат получится тот, что струя немедленно начнет петь собственную мелодию, воспроизводя громкий тон.

Теперь я удаляю кусок дерева и прикладываю к трубочке обыкновенные карманные часы. Сотрясения корпуса при постукивании маятника так ничтожны, что вы не в состоянии обнаружить их. Но эти сотрясения, передаваясь трубочке, обусловливают образование перехватов на струе воды, которые усиливаются по мере ее движения, и в результате получается такое громкое тиканье, что его можно слышать во всех углах этой большой комнаты (рис. 46).

Рис. 46.

Теперь я хотел бы показать вам, как усиливаются колебания при описанном только что явлении. Я опять подношу трубочку, из которой бьет вода, вплотную к резиновой перепонке, и вы опять не слышите ничего. По мере того как я постепенно удаляю трубочку, слышится слабый звук который становится все громче и громче, пока, наконец, он не начинает походить больше на стук молота о наковальню, чем на тиканье карманных часов.

Теперь я заменю эти часы другими, так называемыми часами с репетицией. Если нажать кнопку, они начинают бить сначала часы, затем четверти и, наконец минуты. Я надеюсь, что водяная струя даст вам всем возможность услышать, который теперь час. Слушайте! Раз, два, три, четыре… раз, два… раз, два, три, четыре, пять, шесть. Тридцать шесть минут пятого. Вы замечаете, что струя воды не только дала вам возможность слышать удары, но и добросовестно воспроизводила музыкальные ноты, так что вы в состоянии отличить одну ноту от другой.

Подобным же образом я могу заставить фонтан исполнить некоторую мелодию, просто приставив к трубочке длинную палку, другой конец которой упирается в музыкальный ящик. Как вы видите, прибор находится в другом ящике, завернутом в толстую двойную войлочную оболочку и тщательно закрытом, так что вы едва ли можете слышать что-либо; но в тот момент, когда к трубочке приставляется палка и вода направляется на резиновую перепонку, звуки музыкального ящика раздаются громко и слышны, я надеюсь во всех углах этой комнаты. Обыкновенно, описывая фонтан, говорят, что он играет; теперь мы видим, что фонтан может играть даже музыкальную пьесу. Но тут есть одна занятная особенность. При известной частоте колебаний струя разбивается легче, чем при какой-либо иной, или, другими словами, на некоторые звуки она отвечает как бы охотнее, чем на другие. Вы слышите, что, когда музыкальный ящик начинает играть, некоторые ноты особенно забавно подчеркиваются, напоминая тот же самый эффект, который получается, если на струны рояля положить монету.

Мыльные пленки на проволочных рамках

Возвращаясь теперь к мыльным пузырям, вспомним, что, как нами было установлено, катеноид и плоскость являются единственными поверхностями вращения, у которых нет кривизны и которые поэтому и в том случае, когда они образованы упругими перепонками, не производят давления. Существует множество других поверхностей, которые кажутся кривыми во всех направлениях и все же не имеют кривизны, а потому и не производят давления; но это не будут тела вращения, то есть их нельзя получить простым вращением некоторой кривой линии вокруг оси. Некоторое количество таких тел можно получить при помощи проволочных рамок различной формы, погружая их в мыльную воду. Вынимая рамки из воды, мы увидим удивительное разнообразие поверхностей без кривизны. Одна из таких поверхностей известна под названием винтовой поверхности. Чтобы получить ее, нужно лишь взять кусок проволоки, закрутить ее несколько раз в открытый завиток (называемый обыкновенно спиралью) и загнуть оба конца таким образом, чтобы они встретили другую, прямую проволоку, представляющую ось этой спирали. Винтовая поверхность, полученная погружением в мыльную воду проволочного прибора, стоит того, чтобы на нее посмотреть (рис. 47).

Рис. 47.

С помощью рисунка невозможно дать представление о дивном совершенстве ее формы, но, к счастью, этот опыт относится к числу тех, которые очень легко может произвести каждый.

Стоит упомянуть о любопытном соотношении между винтовой поверхностью и поверхностью катеноида вращения (рис. 47 и 24). И та и другая представляют собой поверхности без кривизны, а потому их можно получить при помощи мыльных пленок. Вам известно, что плоский кусок бумаги можно сгибать, но нельзя растягивать, а потому листу бумаги можно придать форму цилиндра или конуса, причем ни одна часть его не будет растянута. Но его нельзя согнуть так, чтобы получился шар или часть шаровой поверхности, так как при этом средняя часть листа должна была бы растянуться или внешние части сжаться, чему бумага противодействует. Возьмем теперь сделанную из дерева или гипса модель катеноида и будем прикладывать к ее поверхности целый ряд смазанных клейстером полосок тонкой бумаги таким образом, чтобы они перекрещивались и находили одна на другую своими краями. У нас получится катеноид из бумаги, на котором мы обнаружим интересное соотношение. Когда клейстер высохнет, разрежем бумагу ножом вдоль какой- нибудь радиальной плоскости, чтобы можно было снять бумагу с модели. Затем, держа бумагу за два разрезанных конца в месте перехвата, станем ее разводить, закручивая в го же время в разные стороны. Тогда перехват распрямится и станет плоским, а остальная часть бумаги изогнется без какого бы то ни было растягивания в правильную двухлопастную винтовую поверхность.

С помощью проволочных фигур, которым придана форма правильных геометрических тел, можно получить очень красивые образования из мыльных пленок, погружая эти рамки в мыльную воду. В случае трехгранной призмы все эти поверхности плоски, и всегда в одном ребре встречаются лишь три такие плоскости, притом под равными углами (рис. 48).

Рис. 48.

Это и не удивительно, если принять во внимание, что сама проволочная фигура трехсторонняя. Рассматривая эту трехстороннюю фигуру с тремя пленками, встречающимися на центральной линии, вы склонны ожидать, что в случае четырехсторонней или квадратной призмы мы увидим четыре пленки, встречающие одна другую на средней линии. Замечательно, однако, что этого никогда не происходит, какую бы неправильную форму ни имела рамка и какое бы сложное строение ни имел клочок пены. На одном ребре никогда не может встретиться более трех плоскостей, а в одной точке — четырех ребер и шести плоскостей. Кроме того, пленки и ребра должны пересекать друг друга лишь под равными углами. Если случайно на один момент в одном ребре встретятся четыре плоскости или если углы не будут в точности равны друг другу, тогда получится во всяком случае неустойчивая форма; она не может оставаться в покое, и пленки будут все время скользить одна вдоль другой, пока они не придут в положение, при котором условия устойчивости будут выполнены В результате кубическая форма дает фигуру, изображенную на рис. 49, в которой центральный квадрат должен быть параллельным одной из шести граней куба и двенадцать других пленок встречаются одна с другой так, что выполняется основное правило, а именно: все углы равны 120°.

Рис. 49.