Німецькі фізики запропонували концепцію простого лабораторного експерименту з вивчення акустичної дисперсії. Використовуючи довгу сталеву пружину і консервну банку, вони відтворили звук бластера із «Зоряних воєн», для кількісного аналізу якого виявилося достатньо смартфона. Деталі досвіду опубліковані в.
Розвиток експериментальної фізики йде шляхом ускладнення апаратної частини. Це необхідна умова для виявлення нових ефектів і явищ, які збагачують нашу картину світу. Разом з тим, експериментальна база, що використовується в освітньому процесі, набагато скромніша. Вона обмежена безліччю факторів, серед яких масовість, дешевизна і низький поріг навичок, якими повинні володіти учні, щоб правильно і безпечно провести лабораторну роботу.
Усіма цими якостями володіють сучасні смартфони. Ми звикли сприймати їх як засіб комунікації, але з точки зору фізика-експериментатора смартфон - це гнучка технічна платформа, яка об'єднує в собі відразу кілька джерел будь-якого фізичного впливу (світло, звук, вібрації), різноманітні детектори (камера, мікрофон, акселерометр і так далі), процесор для обробки сигналу та екран для виведення даних. Наприклад, ми вже розповідали, як насадка на смартфон перетворює його на лабораторний спектрометр. Але найчастіше смартфони використовують для демонстрації різноманітних механічних і акустичних явищ, список яких продовжує поповнюватися.
Група викладачів фізики з Німеччини за участю Кіма Людвіг-Петш (Kim Ludwig-Petsch) з Технічного університету Кайзерслаутерна запропонували концепцію простого експерименту з вивчення акустичної дисперсії. Їх метою було відтворити і дослідити звук, який видає стріляючий бластер із «Зоряних воєн», в основі якого лежить це явище. У цьому фізикам допомогла металева пружина, звук від яких обробляв смартфон або ноутбук.
Акустична дисперсія (дисперсія звуку) виражається в різній швидкості, з якою різні частотні компоненти звуку поширюються в матеріалі. В однорідних матеріалах високі частоти поширюються, як правило, швидше, ніж низькі. Якщо шлях, який проходять хвилі, досить великий і в ньому немає загасання (наприклад, довгий металевий провід), різницю в часі можна почути неозброєним вухом. Зокрема, якщо початковий хвильовий пакет має безперервний спектр, то наприкінці шляху ми почуємо спочатку високочастотний звук, який буде поступово змінюватися низькочастотним. Саме таким способом Бен Бертт, який працював над звуковим дизайном «Зоряних воєн», створював характерне «піуу» (або, якщо точніше, «тіуу») для звуку бластерної стрільби.
Щоб вивчити цей ефект більш наочно, фізики використовували сталеву пружину з діаметром 34,8 міліметра, діаметром жили 1,7 міліметра, 520 витками і загальною протяжністю 56,8 метра. На демонстраційному етапі вони приєднували до кінця вислячої горизонтально пружини консервну банку, яка служила резонатором, що підсилює звук. Вдаряючи по іншому кінця ручкою або нігтем, фізики чули звук «тіуу», який свідчив про акустичну дисперсію в сталі. З наближенням точки удару до резонатора звук скорочувався в часі.
Виявилося, що для кількісного аналізу цього ефекту можна використовувати смартфон. Для тимчасової розгортки сигналу автори використовували додаток phyphox, а для дослідження залежності його спектру від часу - додаток SpectrumView. Спостереження за тим, як спектр змінюється з часом, що відраховується від моменту удару по пружині, наочно підтвердило припущення про те, що більш високі частоти прибувають швидше. Воно також виявляє сигнали відлуння, які не помітні неозброєним вухом. Зображення зі смартфона дозволило побудувати залежність групової швидкості звуку від частоти.
Точки на отриманому графіку мали досить малі похибки, що дозволяло використовувати досвід в якості лабораторної роботи для студентів. Однак у ньому зберігалася систематична помилка, пов'язана з тим, що фізики не знали точний час удару, оскільки сигнал про це доходив до мікрофона смартфона по повітрю і тому відставав на якийсь відчутний час. Щоб оцінити цю помилку, автори повторили експеримент з двома мікрофонами, розташованими на початку і кінці пружини і приєднаними до ноутбука з встановленою на ньому програмою Audacity. За допомогою такої установки вони повторили досвід і показали, що смартфонні вимірювання занижують вимірювання групової швидкості всього на половину статистичної похибки.
У майбутньому фізики планують розширити застосовність запропонованого експерименту на дослідження впливу натягнення пружини на її акустичні властивості. Крім того, на їхню думку, звукову дисперсію можна буде дослідити і в інших матеріалів. Наприклад, звук, схожий на постріл бластера, можна почути, якщо кидати камінчики на поверхню льоду, що покриває замерзле озеро.
«Зоряні війни» досі залишаються регулярним джерелом натхнення для інженерів, фізиків, хіміків та інших діячів науки і техніки по всьому світу. Детальніше про це читайте в нашій тематичній добірці «May the 4th be with you!».