Исследовательский проект на тему : Влияние звуковых волн на воду
проект

г. Старый Оскол

2022г

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..2

• Актуальность
• Цель
• Задачи

1.Основная часть

1. Теоретическая часть…………………………………………………………...3

1.1 Что такое звук?……………………………………………………………….3

1.2 Характеристики звука………………………………………………………..5

1.3 Звук  как способ познания мира…………………….......................................7

2. Практическая часть………………………………………………………….....8

Заключение……………………………………………………………………...12

Список используемой литературы…………………………………………...13

Приложение……………………………………………………………………..14

Введение

 Данная работа рассчитана на учеников 9 - 11 классов, желающих повысить уровень знаний в области физики, узнать больше о различных акустических явлениях.

Работа позволяет наглядно изучить основные характеристики звука и  влияние звуковых волн на физические свойства веществ и биологические процессы.

Актуальность -  изучение механического влияния звука на биоткани и биожидкости организма и  различных физиотерапевтических методик диагностики и лечения  заболеваний человека.

Гипотеза: звук влияет на воду изменяя ее свойства

Цель работы: выявить влияние звуковых волн различных частот  на изменения свойств воды и  визуализировать звук.

Задачи исследовательской работы:

1)   Изучить волновую природу звука.

2) Поставить эксперимент по исследованию характеристик звука методом визуализации, в которых используются колебательное смещение частиц воды.

3) Сконструировать экспериментальную установку.

Методы исследования:

изучение и анализ литературы, практический метод, графический метод

Объект проектной работы: объектом проектной работы являются звуковые волны, распространяющиеся в воде и явления, связанные с ними.

Предмет исследования:   звуковые волны в воде

Продукт проекта: экспериментальные демонстрации звуковых волн

1. Теоретическая часть

1.1  Что такое звук?

Волна -  это распространение колебаний в пространстве с течением времени. В процессе распространения частицы среды лишь совершают колебания около положений равновесия. Однако волны переносят энергию колебаний от одной точки среды к другой. Механические волны бывают разных видов.

 Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной. Если при распространении волны частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной. Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту или по струне.

Звук – физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Звук может возникать только там, где есть вещество. В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Такое явление можно наблюдать, например, в космосе.

 Любой источник звука обязательно колеблется (хотя чаще всего эти колебания незаметны для глаза). Например, звуки голосов людей и многих животных возникают в результате колебаний их голосовых связок, звучание духовых музыкальных инструментов, звук серены, свист ветра, раскаты грома обусловлены колебаниями масс воздуха. Для улавливания звука у человека и животных есть специальный орган – ухо. Это необычайно тонкий аппарат, который отзывается на ничтожно малые изменения давления в воздухе. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определённое ощущение, которое и воспринимается нашим сознанием как звук. Но не все колебания воспринимаются нами как звук. Человеческое ухо способно воспринимать звук в достаточно широком, но ограниченном,  диапазоне от 16 Гц до 20кГц.  Волны с ν < 16 Гц (инфразвуковые) и ν > 20 кГц (ультразвуковые) органами слуха человека не воспринимаются.

1.2 Характеристики звука

Основными параметрами любой волны и звуковой, в частности, является частота, период и амплитуда, скорость и длина волны.

Амплитуда – модуль максимального смещения точек среды от положения равновесия. Амплитуда волны определяет такое свойство звука, как громкость. Измеряется в децибелах (дБ)

Длина волны (λ) – расстояние, пройденное волной за время равное периоду. Измеряется в метрах (М).

λ=

Период (T) – время одного полного колебания. Измеряется в секундах (с).

          T=  , где t – промежуток времени, в течение которого совершаются N колебаний.

Частота (ν) – число колебаний за единицу времени. Измеряется в герцах (Гц).

         ν=

Скорость (v) – расстояние, на которое распространяется волна за единицу времени. Измеряется в метрах на секунду (м/с)

График волны представляет зависимость смещения всех частиц среды х от расстояния l до источника колебаний в данный момент времени и имеет вид кривой.

Высота звука – качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Распределения энергии между определенными частотами определяет своеобразие звукового ощущения, называемое тембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный тембр. Единицей громкости звука принято считать 1 Бел (её назвали по имени одного из изобретателя телефона – Александра Грэхема Белла). Практически один Бел не используется, удобнее пользоваться децибелами, равными одной десятой Бел .Поэтому на практике для измерения амплитуды звука обычно используется адаптированная для человека шкала децибелов.

Приведем некоторые значения уровней звука

Физиологический болевой порог у человека наступает при 130 дБ.

Ультразвук и инфразвук

Особым видом звуковых колебаний является ультразвук, весьма эффективное средство в руках медиков и других исследователей. К таким колебаниям относятся волны с частотами за 20 000 Гц. Этот вид колебаний обладает целым рядом уникальных свойств. Проходя через воду, ультразвук вызывает её кипение с возникновением гидравлического удара. С помощью ультразвука можно отрывать элементы от поверхности металла, дробить твердые тела. Ультразвук позволяет смешивать жидкости, которые в обычных условиях не смешиваются, к примеру, эмульсии с масляной основой. Свойство ультразвука производить дробящий эффект нашло применение в ультразвуковых паяльниках.

Особый вид колебаний с частотой до 16 Гц получил название инфразвук. Известно, что колебания этой частоты способны оказать болезненное влияние на организм человека. При частотах 4-8 Гц ощущается вибрация внутренних органов, частота в 12 Гц провоцирует приступ морской болезни. Источниками инфразвука могут стать машины и механизмы с большими поверхностями, которые совершают механические колебания низкой частоты.

1.3 Звук  как способ познания мира

Звук – это один из видов информации, который человек получает из окружающего мира с помощью органов чувств. Представление о многих вещах и предметах впервые создаются в сознании человека именно на слух. Изучая звук на слух, практически невозможно получить объективные результаты исследования, так как слух индивидуален и зависит от особенностей человека.

Впервые интенсивно изучал визуальный звук Ханс Дженни (1904г-1972г). Для описания эффекта вибрации Дженни придумал название этой науке Kymatik («cymatic» на английском языке) от значения греческого слова «Кумар», «вал» или «волна». Дженни изобрёл специальное устройство, визуализирующее звуки – Тоноскоп. Ярким и занимательным примером явлений, изучаемых киматикой (понятие не используется в научном мире), являются, например, фигуры Хладни. Эксперименты Э.Хладни, исследующие влияние звуковых волн разной частоты на песок, позволяют получать разнообразные фигуры из песка, а полученные фигуры названы в его честь – фигуры Хладни. Английский химик и физик Мартин К. исследовал влияния звуковых вибраций на жидкости – воду, нефть.

В зависимости от характера используемого эффекта все методы визуализации звука можно подразделить на две группы:

1.  Методы, в которых используются колебательное смещение частиц.

Один из способов этого метода – изображения звука при помощи компьютерных технологий. Основным достоинством этого метода является возможность проводить комплексную обработку изображения звука. В компьютер приходит не сам звук, а электрический сигнал, снимаемый с какого-либо устройства: микрофона, преобразующего звуковое давление в электрические колебания.

2.  Методы, основанные на деформация водной поверхности под действием звука, акустические течения.

Акустические течения (акустический, или звуковой, ветер) – регулярные течения среды, возникающие под воздействием звука. Воздействие звуковых волн, вибраций на воду изучал японский ученый Масару Эмото. Идея визуализации музыки пришла в голову американцу Стефани Малиновскому, когда он слушал скрипичную сонату Баха и смотрел в ноты, успевая следить за их «течением» по нотному стану, переплетением высот и длительностей. Шоу фонтанов – это тоже одна из форм визуализации музыки. Одно из самых известных таких шоу показывается в парке развлечений Уолта Диснея в Калифорнии (США).

2. Практическая часть

Опыт № 1. Струйный автогенератор звука.

На струе жидкости, подающей вниз можно выделить две области: ближайшая к отверстию сопла часть струи совершенно прозрачна и выглядит неподвижным цилиндром; ниже струя становится мутной, т. к. начинается разбиение этого сплошного потока на отдельные капли, которые хорошо видны при фотографировании со вспышкой.

Разбиение струи на отдельные капли происходит беспорядочно благодаря наличию на поверхности струи капиллярных волн.  Капиллярные волны возникают благодаря наличию на поверхности жидкости сил поверхностного натяжения

                Механизм образования капиллярных волн

Пусть поверхность жидкости в некотором месте случайно изогнулась, например, стала вогнутой. Под действием разности давлений жидкость из соседних участков начнет приливать под вогнутую поверхность, пока поверхность снова не станет плоской. Но движение жидкости не прекратится и будет продолжаться по инерции. Поэтому поверхность станет выпуклой, давление под ней возрастет, и жидкость будет вытекать из-под нее и т. д. Такие колебания в жидкости вызовут аналогичные колебания в соседних участках, то есть возникнет волна.

То, что струя воды восприимчива к звуку, можно пронаблюдать на простом опыте. Для исследования влияния звуковых волн различной частоты на струю жидкости была собрана демонстрационная установка(приложение 1)

В ее состав входят:

• динамик;
• усилитель;
• генератор (ноутбук);
• шланг для воды;
• видеокамера.

Генератор вырабатывает синусоидальный сигнал с различными частотами. Шланг, из которого вытекает вода, закреплён скотчем на диффузоре динамика. В том случае, если видеокамера осуществляет запись видео точно с такой же частотой, какую вырабатывает генератор, то струя воды как бы замирает. Вживую это не заметно, это стробоскопический эффект, который виден только на видеозаписи с совпадающей частотой кадров. При уменьшении частоты сигнала создаётся иллюзия, словно струя воды поднимается вверх, а при увеличении — медленно спускается вниз

В ходе опыта были зафиксированы следующие явления:

1. Явление

В процессе естественного образования капель есть некоторая периодичность, но она далека от идеальной: капли получаются немного различными. Каждая из этих капель, обладая своей массой и скоростью, летит по своей траектории, создавая впечатление снопа струй.

Было замечено, что при определенной частоте звуковых колебаний, исходящих из динамиков, сплошной (прозрачный) участок струи резко сокращается, а сноп струй слипается, образуя одну внешне совершенно непрерывную струю.

 При уменьшении частоты мы заметили, что струя раздваивается. При достижении частоты 63Гц то струя делится на три части.

2. Явление

При совпадении частоты звука с частотой естественного образования капель, распад струи начинает происходить раньше и со строгой периодичностью. Звук как бы отрывает от струи через равные промежутки времени одинаковые капли. Эти капли быстро движутся по одной траектории и производят впечатление сплошной слипшейся струи.

Результаты эксперимента: с понижением частоты звука уменьшается взаимодействие молекул воды. При помощи программы «Тонгенератор (Онлайн воспроизведение звука)» мы получили видимое изображение звука: струя воды принимала вид синусоиды.  Это подтверждает, что звук - это волна 

Опыт № 2. Узоры на воде.

В истории науки Эрнст Флоренс Фридрих Хладни известен прежде всего как немецкий физик, основоположник экспериментальной акустики.

В своих опытах Эрнст Хладни показал воздействие звука на сыпучие вещества. Но точно так же звук воздействует и на жидкости, что доказали эксперименты швейцарца Ханса Йенни.

Доктор Ханс Йенни в своём исследовании «Киматика» продемонстрировал геометрию звуковых вибраций. Он утверждал: «Звук – это не беспорядочный хаос. Это динамический, но упорядоченный узор».

В состав установки (приложение 2) для проведения эксперимента входят :

• динамик;
• усилитель;
• генератор(ноутбук);
• емкость для воды;
• видеокамера.

Установим емкость с водой на динамик и с помощью программы «Тонгенератор (Онлайн воспроизведение звука)» воспроизведем звук различной частоты.  Под воздействием звуковых вибраций на поверхности жидкости образовывались упорядоченные видимые геометрические фигуры, многие с двумерной и даже трёхмерной структурой, т.е. объёмные фигуры.

Результаты эксперимента: по исследованию воздействия на жидкость звука в зависимости от частоты и формы генерируемого сигнала мы видим, что с ростом частоты «рисунок» усложняется(приложение 3)

Опыт №3. Тибетская поющая чаша

Из древнего Тибета до нас дошёл музыкальный инструмент — тибетская поющая чаша. Этот уникальный инструмент считается одним из древнейших в мире. Чаша изготавливается из сплава бронзы, в состав также входят медь, олово, цинк, железо, серебро, золото и никель. Когда по краю чаши водят деревянной палочкой, покрытой на конце кожей, чаша издаёт «густые, наполненные обертонами звуки».

В состав установки(приложение 4) для проведения эксперимента входят:

• Видеокамера
• Чаша, изготовленная из сплава бронзы, в состав также входят медь, олово, цинк, железо, серебро, золото и никель
• Деревянная палочка

В поющую чашу нальем воду и по ее краю проведем деревянной палочкой, мы услышим, что звучание меняется. С нарастанием интенсивности звука вода начинает разбрызгиваться, а чаша издавать журчание. Наблюдается так называемое «холодное кипение» воды. При некоторой интенсивности звучания волны на поверхности воды начинают рваться, и в воздух взлетают сотни мелких капель. Эта левитация становится устойчивой, а сами капли могут подолгу находиться в воздухе и перемещаться вдоль поверхности.

Исследуя причину наблюдаемых явлений, нам стало понятно, что богатый звук создаётся сложной интерференцией волн на воде в чашах, отрывающей от поверхности капли, которые затем прыгают и скользят по ней. Деформация поверхности воды нарастает и превышает критическое значение. В основе такого взаимодействия обертонов лежит волновой принцип: два звуковых потока встречаются, образуют стоячую волну.

Стоячая звуковая волна возникает в результате наложения двух одинаковых бегущих звуковых волн, распространяющихся во взаимно противоположных направлениях и имеющих одинаковые параметры. Возникновение стоячих волн является частным случаем явления интерференции волн (интерференция волн - взаимное усиление или ослабление двух (или большего числа) волн при их наложении друг на друга и одновременном распространении в пространстве.)

Результаты эксперимента: Когда по краю чаши водят деревянной палочкой, покрытой на конце кожей, чаша издаёт «густые, наполненные обертонами звуки». В основе такого взаимодействия обертонов лежит волновой принцип: два звуковых потока встречаются, образуют стоячую волну.

Заключение

В первую очередь вода подвержена воздействию звука. Представленные результаты опытов показали, что под влиянием звука изменяется структура воды.

Таким образом, исследования в этой области продолжаются. Действие звуковых вибраций на воду, как и на сыпучие материалы, зависит от частоты звука. Под воздействием звука жидкости образуют упорядоченные видимые объёмные геометрические фигуры, узоры.

Звуковые вибрации способны влиять на воду на молекулярном уровне, изменять её структуру. Оказывать воздействие на материю способны звуковые волны из всего частотного спектра: не только слышимые человеческим ухом звуки, но также инфразвук и ультразвук.

В данной работе достигнута цель и выполнены основные задачи: поставлен эксперимент по исследованию характеристик звука, который доказывает его влияние на свойства воды, показывает явления возникающие при воздействии звука на воду, выдвинута и подтверждена гипотеза о том, что звук влияет на воду изменяя ее свойства. Сконструирована экспериментальная установка, которая помогла реализовать поставленные задачи.

Продемонстрированные  эксперименты по исследованию характеристик звука, показывает  воздействие звука на различные вещества, в частности на воду.        

Список используемой литературы

1. https://slavradio.org/articles/interesnoe/magiya-zvuka-chast-2/
2. https://present5.com/vliyanie-zvuka-na-struyu-zhidkosti-rabota-vypolnena-uchenikom/
3. https://coralreef-aqua.ru/eksperiment-s-vodoy-zvuk/
4. https://kopilkaurokov.ru/fizika/prochee/issliedovatiel-skii-proiekt-na-tiemu-poiushchiie-bokaly
5. https://www.ural-auto.ru/services/tone-generator/

Приложение

приложение 1                                 приложение 2

приложение 3

приложение 3