Исследователи, наконец, поняли, почему свистит чайник. Эта проблема озадачивала учёных ни много ни мало на протяжении более чем ста лет! Жаль только, что свистящих чайников на современных кухнях днём с огнём не сыщешь. Открытие, впрочем, не столь бесполезное и обещает побороть другие неприятные шумы.
Умозаключения двух исследователей из Кембриджского университета (Cambridge University) помогут инженерам остановить нежелательный раздражающий свист аналогичного характера, возникающий, например, в домашней сантехнике или при повреждении выхлопной трубы автомобиля.
"Открытый нами эффект можно применить к огромному количеству ситуаций − везде, где структура, сдерживающая поток воздуха, похожа на свисток чайника, – считает Росс Генривуд (Ross Henrywood) с факультета инженерии. – Трубы внутри здания − классический пример подобного эффекта. Также он наблюдается внутри повреждённой выхлопной системы автомобиля. Если узнать, откуда идёт свист, можно избавиться от него".
Генривуд, который проводил исследования в рамках собственного дипломного проекта, и его руководитель доктор Анураг Анарвал (Anurag Agarwal) смогли показать, как именно появляется звук внутри чайника, когда поток пара достигает носика.
Возможно, большинство людей никогда не считали это серьёзным поводом для научных споров, вот только данная проблема выходит далеко за рамки обычных чайников. Используя знания, полученные в ходе исследования, учёные могут изолировать и пресечь раздражающие шумы, сопровождающие нашу обычную жизнь повсеместно.
Как правило, свисток для чайника состоит из двух пластин, расположенных близко друг к другу и образующих полость. Обе пластины имеют отверстие посередине, которое позволяет пару вырваться наружу. Понятно, что свист чайника − это вибрации, производимые увеличивающимся объёмом пара, выходящим из носика. Но учёные в течение многих десятилетий не могли понять, что именно производит звук.
Генривуд и Агарвал создали несколько упрощённых свистков, а затем провели серию экспериментов, в которых воздух проходил через них на различных скоростях (получившиеся звуковые эффекты были записаны). Это позволило учёным построить графики зависимости частот и амплитуд звука от параметров носика. Наконец, они использовали два микрофона, чтобы определить частоту звуковых колебаний внутри носика.
Результаты показали: если скорость потока высока, звук появляется благодаря двум небольшим вихрям (участкам закрученного потока пара), которые при определённых частотах и производят шум. Когда пар поднимается к носику чайника, он натыкается на первое отверстие, которое значительно уже, чем сам носик. Поток пара сжимается и создаётся струя пара, проходящего через отверстие.
Разумеется, струя пара нестабильна (как, скажем, струя воды из садового шланга). К тому моменту, когда она достигает конца "свистка", она больше не является однородным потоком. Эти нестабильность вызывает небольшой импульс давления при попадании во второе отверстие. Этот импульс вызывает образование вихрей водяного пара на выходе. Эти вихри и производят звуковые волны, создавая шум, сигнализирующий о том, что вода для будущего чая вскипела.
Генривуд и Агарвал также объяснили, почему этот эффект приводит к свисту, а не какому-то другому виду шума. По их мнению, этот механизм аналогичен тому, который наблюдается в трубах органа или флейты. Среди звуковых волн доминирует определённая частота, которая определяется размером и формой отверстия, а также длиной носика. Чем длиннее носик, тем ниже будет тональность.
Также исследователи обнаружили, что чайник будет свистеть, даже если скорость потока будет ниже, чем необходимая для возникновения вихрей. Также они обнаружили ещё один производящий звук механизм, работающий при закипании воды. Разница в том, что тональность звука на этом этапе имеет одну и ту же частоту, несмотря на широкий диапазон скоростей. Оказалось, что при скорости ниже критической источником звука являются колебания застрявшего между двумя пластинами воздуха. Это подобно действию резонатора Гельмгольца − тот же механизм даёт звук, если подуть в пустую бутылку.
Когда воздух поступает в открытое горлышко бутылки, воздух внутри горлышка словно подпрыгивает вверх и вниз, как пружина. Похожий механизм наблюдается и при закипании некоторых чайников.
По мнению учёных, исследование помогло им оценить различные механизмы в действии. Открытие, достойное Шнобелевской премии будущего года, позволит вносить изменения в конструкции и препятствовать возникновению шумов. В данный момент Генривуд и Агарвал разрабатывают на основе своих исследований проект бесшумной высокоскоростной сушилки для рук.
Подробности исследования – в научной статье журнала The Physics Of Fluids.
Также по теме:
Чайником для ленивых можно управлять по Wi-Fi
В Петербург завезли китайские утюги-шпионы
В Ростовской области сделали гигантский чайник
Бытовая техника: врага надо знать в лицо
