В Кембридже раскрыли тайну свиста кипящего чайника

Ученые из Кембриджского университета разобрались с процессом звукообразования в свистке кипящего чайника. Статья ученых появилась в журналеPhysics Of Fluids. Краткое изложение работы приводится на сайте университета. По словам ученых, таким образом им удалось решить 100-летнюю физическую проблему, поставленную в «Теории звука» Джона Уильяма Стретта, известного как Лорд Рэлей.

В рамках исследования ученых интересовал ток в камере, представляющей собой широкий цилиндр с дырками в основаниях. Исследователи провели серию экспериментов (в общей сложности работа заняла четыре года), после чего построили две модели, описывающие возникновение звука. Эти модели применимы для разных чисел Рейнольдса Re - одна для Re 2000.

Числа Рейнольдса являются важной безразмерной характеристикой тока. В данной конкретной задаче числа зависят от физических свойств жидкости или газа, формы и свойств свистка и прочих факторов. Однако, если ограничиться паром и свистком конкретной формы, то с большой долей достоверности можно считать, что числа Рейнольдса зависят от скорости тока.

Как оказалось, при скорости ниже критической, источником звука являются колебания застрявшего между двумя пластинами воздуха. Похожий механизм, по словам ученых, отвечает за возникновение звука в бутылке, в которую дуют в горлышко (соответствующая математическая модель называется резонатором Гельмгольца). Примечательным фактом является то, что в достаточно широком диапазоне скоростей тональность возникающего звука постоянна. При этом тон определяется физическими характеристиками самого свистка.

Если скорость тока выше порогового значения, то звук возникает совершенно по-другому. Ток пара, проходя через первую дырку свистка испытывает возмущение. В силу своей нестабильности он начинает распадаться на отдельные фрагменты так же, как распадается на отдельные капли струя воды из садового шланга. Каждый такой фрагмент ударяет по второй стенке свистка, вызывая ее колебания.

Эти колебания, в свою очередь приводят к образованию паровых воронок. Именно эти воронки и являются источником звуковых волн. Примечательно, что в таком случае также есть одна доминирующая частота. Первый механизм, по словам ученых, отвечает за свист закипающего чайника, а второй - за свист уже кипящего.

По словам исследователей, несмотря на кажущуюся несерьезность их работы, она может найти самое широкое применение. Модель свистка, которую использовали физики, подходит для описания множества реальных физических процессов - например, звуки в водопроводных трубах, системе вентиляции, автомобильных глушителях, фенах и прочих. Новые результаты могут помочь избавиться от неприятных звуков.