Vizualizácia zvuku

Dva z našich základných zmyslov sú sluch a zrak. Vďaka zraku vnímame svetlo a sluchom zachytávame zvuk. Čo keby sme ich však na chvíľu prepojili a pokúsili sa vidieť zvuk pomocou svetla? Tento pokus vám ukáže, ako si jednoducho doma vytvoriť vizualizér zvuku.

Videonávod tohto experimentu, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na video.matfyzjein.sk/experimenty.

Pomôcky

Laserové ukazovadlo, zrkadielko (asi 1 cm²), balón, lepiaca páska, rezonančná nádoba (napr. pevnejšia plastová fľaša alebo plechová konzerva), drevená doska na uchytenie konštrukcie, podložka pod ukazovadlo (napr. z polystyrénu alebo papiera), kancelárska spona na stlačenie tlačidla ukazovadla, vlastné hlasivky alebo reproduktor či generátor tónov

Postup

Rezonančnú nádobu upravíme tak, aby mala na oboch stranách veľký otvor. Na jednu stranu natiahneme blanu z balóna a prichytíme ju páskou. Na vonkajšiu stranu blany pomocou obojstrannej pásky prilepíme zrkadielko. Takto pripravenú nádobu upevníme na jeden koniec drevenej dosky.

Na druhý koniec prilepíme laserové ukazovadlo, podložíme ho kúskom polystyrénu a nasmerujeme tak, aby jeho lúč dopadal do stredu zrkadielka a odrážal sa pod malým uhlom. Väčšina laserových ukazovadiel má spínač, ktorý je potrebný neustále držať. Ten však môžeme stlačiť kancelárskou sponou, aby zostal zapnutý.

Realizácia

Odrážaný lúč nasmerujeme na premietaciu stenu. Do rezonančnej nádoby začneme hovoriť, spievať, prípadne tam môžeme umiestniť reproduktor pripojený ku generátoru tónov. Jednoducho zabezpečíme, aby v rezonančnej nádobe znel zvuk.

Pozorovanie

Podľa typu zvuku v rezonančnej nádobe môžeme na stene pozorovať rôzne obrazce. Niektoré sú spleťou čiar, iné pravidelne sa opakujúcimi vzormi. Ich veľkosť sa mení v závislosti od vzdialenosti zariadenia od steny, pričom obrazce sa pri hovorení líšia od tých vznikajúcich pri harmonických tónoch rôznych frekvencií.

Vysvetlenie

Zvuk je pozdĺžne mechanické vlnenie v látkovom prostredí, ktoré dokáže vyvolať sluchový vnem v ľudskom (alebo aj zvieracom) uchu. Vzniká kmitaním vzduchu či iného hmotného prostredia, pri ktorom sa častice zhusťujú a zrieďujú. Tieto zmeny sa šíria ako zvuková vlna rýchlosťou, ktorú nazývame rýchlosť zvuku.

Naša rezonančná nádoba zachytáva zvuk a prenáša ho na blanu na jej konci. Blana sa začne chvieť, spolu s ňou aj zrkadielko, a na stene vidíme pohyb odrazeného lúča, ktorý vytvára rôzne vzory. Pri jednom konkrétnom tóne alebo zvuku s konkrétnou frekvenciou môžeme pozorovať pravidelne sa opakujúci obraz, zatiaľ čo chaotické zvuky, napríklad buchnutie, vytvárajú nepravidelné vzory. Pri hovorenom slove sú často zvýraznené tvrdé spoluhlásky. Intenzita zvuku ovplyvňuje veľkosť obrazca – čím hlasnejší zvuk, tým väčší obrazec.

Keby sme rezonančnú nádobu otočili a na blanu nasypali piesok, vznikli by na jej povrchu obrazce znázorňujúce miesta s maximálnou odchýlkou (bez piesku) a miesta bez výchylky (kde sa piesok zhromaždí).

História

Tieto obrazce sú pomenované po Ernstovi Chladnim, ktorý ich opísal v roku 1787 vo svojom diele Objavy v teórii zvuku a vysvetlil aj spôsob ich vytvárania. Chladniho obrazce vznikajú na tenkej vibrujúcej platni alebo napnutej gumenej blane, ktorá je posypaná jemným pieskom. Pri rozvibrovaní platne sa zrnká piesku presúvajú a vytvárajú obrazce. Ich tvar závisí od veľkosti a tvaru platne, frekvencie, intenzity a dynamiky vibrácií. Vibrácie môžeme vyvolať úderom do platne alebo pomocou reproduktora pod blanou.

Chladniho pokusy fascinovali ľudí natoľko, že si nimi dokázal zarábať ako učiteľ a experimentátor. O jeho práci sa pochvalne vyjadril aj Napoleon Bonaparte: Tento muž zviditeľnil tóny.

Autorka článku: PaedDr. Soňa Gažáková, PhD.
Foto Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Ak experiment vyskúšate, svoje realizácie môžete posielať na adresu sona.gazakova@fmph.uniba.sk.