Водяной микрофон или об одном изобретении Александера Белла

Золотистого меда струя из бутылки текла 
Так тягуче и долго, что молвить хозяйка успела? 
"Здесь, в печальной Тавриде, куда нас судьба занесла, 
Мы совсем не скучаем",- и через плечо поглядела.

О. Мандельштам

Кто из нас не знаком с микрофоном? Вы его видите по телевизору, в театре, кино, пользуетесь им при записи на магнитофонную пленку, его устройство описано в школьном учебнике по физике. А вот о существовании водяного микрофона, наверное, знают немногие. Да, да, не удивляйтесь. Оказывается, с помощью водяной струи можно успешно усиливать различные звуки. Сделал этот необычный прибор американец Александер Белл, который больше известен миру как один из изобретателей телефона. Познакомимся прежде всего со свойствами его "усилителя" - водяной струи.

Если в дне сосуда с водой просверлить небольшое круглое отверстие, то можно заметить, что вытекающая сквозь него струя состоит из двух различных по своим свойствам частей. Верхняя часть струи прозрачна и неподвижна настолько, что кажется стеклянной. По мере удаления от истока она становится все тоньше, и в точке наибольшего сокращения начинается нижняя часть, переменчивая по форме и непрозрачная. На первый взгляд эта часть струи, как и верхняя, кажется непрерывной. Однако иногда удается быстро провести через нее палец, не замочив его.

Рис. 1

Французский физик Феликс Савар провел подробное исследование свойств водяных струй и пришел к выводу, что в самом узком месте водяная струя перестает быть сплошной и распадается на отдельные капельки. Теперь, по прошествии более чем ста лет, в этом легко убедиться, сфотографировав струю воды со вспышкой или посмотрев на нее при стробоскопическом освещении (рис. 1); в те же далекие времена свойства струи изучали, наблюдая ее в тем-ноте при вспышке электрической искры.

Посмотрите на изображение нижней части струи (рис. 1). Она состоит из отдельных капель - больших и малых между ними. Как видите, в процессе падения большие капли пульсируют, последовательно меняя форму от эллипсоида, растянутого по горизонтальному направлению (1 и 2 капли), к шару (3), а затем переходя к эллипсоиду, растянутому по вертикальному направлению (4, 5, 6). Затем капля снова возвращается к форме шара (7) и т. д. (Вспомнив раздел "Пузырь и капля", подумайте, почему капли в струе пульсируют? Пульсируют ли малые капли?) Каждая капля, быстро пульсирующая в процессе своего падения^*, производит в различные моменты времени различное воздействие на глаз человека. В результате и возникает образ непрерывной мутной струи с утолщениями в тех местах, где капли-эллипсоиды растянуты горизонтально, и сужениями там, где они растянуты вертикально.

^* (Частоту колебаний капли нетрудно оценить так же, как мы делали это в разделе "Поющие и безмолвствующие бокалы" для воздушных пузырьков в жидкости: v₀~^σ1/2/_ρ^1/2r0^3/2. Принимая σ = 0,07 Н/м, ρ = 103 ^кг/_м³, r₀ = 3*10^-3 м, находим, что v₀~50 Гц (чередование кадров в кино составляет 24 кадра в секунду, и для нашего глаза уже этого оказывается достаточно для создания иллюзии непрерывности движения).)

Другим важным открытием Савара было то, что на длину верхней, прозрачной части струи большое влияние оказывают окружающие звуки. Если вблизи струи возбудить звуковые колебания определенной частоты, прозрачная часть струи мгновенно становится мутной.

Савар объяснил это так. Капли, на которые распадается водяная струя в своей нижней части, зарождаются еще вверху, у самого отверстия. Представляясь как бы кольцевыми выступами, по мере удаления от отверстия они проявляются все четче и четче, пока не отделятся совсем. Эти выступы следуют друг за другом настолько часто, что производят слабый звук. Музыкальная нота, звучащая в унисон с этим звуком, способствует более раннему распаду струи на отдельные капли, то есть переводит прозрачную часть струи в мутную.

Английский физик Джон Тиндаль повторил в своей лаборатории опыты Савара. Ему удалось создать струю (жилу, по выражению Тиндаля), прозрачная часть которой достигала длины около 90 футов (27,4 м). Под действием звука органной трубы соответствующей частоты и умеренной силы эта прозрачная жила превращалась в мутную, распадаясь на огромное количество водяных капель.

В одной из статей Тиндаль так описывает свое наблюдение за падением водяной струи в бассейн с водой: "Когда нисходящая струя пересекает жидкую поверхность выше точки перерыва (точки перехода от прозрачной части струи к мутной), причем давление не слишком сильно, то она входит в жидкость молча; но когда эта поверхность пересекает струю ниже точки перерыва, то сейчас же слышится журчание и появляется множество пузырьков. В первом случае не только нет сильного разбрызгивания жидкости, но она вокруг основания жилы собирается в кучку, в выступ, где движение противоположно струе".

Рис. 2

Описанные свойства водяной струи и были использованы Беллом для устройства водяного микрофона, который показан на рис. 2. Он представляет собой металлическую трубку с впаянным патрубком, на который надета воронка. Нижним концом эта трубка установлена на подставке, а верхний прикрыт кусочком эластичной резиновой мембраны, закрепленной на трубке с помощью нити.

Как мы уже знаем из опытов Тиндаля, при попадании струи в бассейн с водой ее нижняя, распавшаяся на капли часть производит шум. Если же в воду входит верхняя, цельная часть струи, то она втекает в бассейн бесшумно. Подобный опыт можно провести и с куском картона. Так, если лист картона, на который падает струя воды, поднимать к ее истоку, то удары капель будут слышны все слабее и слабее, а когда будет достигнута точка перерыва, их не станет слышно совсем.

Мембрана в микрофоне Белла играет роль того же листа картона. Однако благодаря резонатору, которым является трубка, и рупору каждый тихий удар капли слышен гораздо лучше. Таким образом, падающие на резиновую мембрану капли производят в комнате впечатление слабых ударов молота по наковальне.

С помощью описанного водяного микрофона можно, например, убедиться в чувствительности струи воды к музыкальным звукам, о которой писали Савар и Тиндаль. Так, если к трубочке, из которой вытекает тонкая струя воды на мембрану, приложить ножку вибрирующего камертона, то струя тут же распадется на капли, которые, ударяя по мембране, "запоют" так, что захочется заткнуть уши. В этом усилении слабого исходного звука за счет энергии падающей струи и проявляется действие водяного микрофона. Приложив вместо камертона к трубке часы, можно сделать слышным их ход для всех присутствующих в комнате. Известный в конце XIX века популяризатор научных знаний Б. Донат утверждал, что, приладив к стеклянной трубке, из которой вытекала вода, воронку, он попытался пере-дать через струю звуки своего голоса. При этом струя действительно "заговорила", но так неясно и грубо, и таким ужасным голосом, что все присутствующие при этом разбежались.

Читая эти строки, остается только радоваться, что основное изобретение Белла - телефон с электрическим микрофоном - этого недостатка лишено.