Тайна свиста закипевшего чайника раскрыта

Кембриджские ученые после четырех лет исследований выяснили механизм звукообразования в чайнике при закипании в нем воды. По их словам, они смогли решить вековой физический вопрос, поднятый известным британским физиком Джоном Уильямом Стреттом, известным как Лорд Рэйли, в его труде «Теория звука». Полная статья о результатах исследования опубликована в журнале «Physics Of Fluids», а краткую версию можно найти на сайте университета.

Предметом изучения исследователей был ток в камере в виде широкого цилиндра с отверстиями в основаниях. После серии экспериментов они сконструировали две модели, которые описывали процесс возникновения звука. Эти модели могут быть применены для различных чисел Рейнольдса Re (одна для Re < 2000, другая для Re > 2000), являющихся важной безразмерной характеристикой тока.

В данном случае эти величины зависят от физических свойств жидкости или газа, формы свистка, его свойств и прочих факторов. А когда речь идет о паре и свистке конкретной формы, можно довольно достоверно сказать, что числа Рейнольдса находятся в зависимости от скорости тока.

Как выяснилось, при скорости ниже критической, звук рождают колебания воздуха, застрявшего между двумя пластинами. Похожий процесс ответственен за образование гула в бутылке, когда ей дуют в горлышко (соответствующая математическая модель – резонатор Гельмгольца). Что любопытно, тональность возникающего звука постоянна в достаточно широком диапазоне скоростей, а сам тон определяется физическими характеристиками свистка.

Когда скорость тока выше порогового значения, звук возникает совершенно по-другому. Ток пара, проходя через первое отверстие свистка, испытывает возмущение и, в силу своей нестабильности, распадается на отдельные фрагменты подобно тому, как струя воды распадается на отдельные капли. Каждый фрагмент бьет по второй стенке свистка, вызывая ее колебания, которые, в свою очередь, приводят к образованию паровых воронок. Именно они и становятся источником звуковых волн. Причем, по словам ученых, первый процесс вызывает свист закипающего чайника, а второй механизм – за свист уже закипевшего.

Физики считают, что их работа может найти довольно широкое применение, несмотря на кажущуюся несерьезность. Модель свистка, использованная исследователями, может подойти для описания некоторых реальных физических процессов, к примеру, гул в системе вентиляции, в водопроводных трубах, звуки в автомобильных глушителях, фенах и т.д. Результаты открытия могут помочь избежать возникновения многих неприятных звуков.