Номер 37.38, страница 140 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 37. Звуковые волны. Глава 5. Механические колебания и волны - номер 37.38, страница 140.

37.38 [Д. 133] Почему воет ветер в печной трубе?

Вой ветра в печной трубе — это сложное акустическое явление, которое возникает в результате взаимодействия потока воздуха (ветра) с трубой. В основе этого явления лежит акустический резонанс, который можно объяснить двумя основными процессами.

1. Образование вихрей.

Когда ветер обтекает препятствие, такое как печная труба, с её задней (подветренной) стороны образуются и срываются вихри. Этот процесс, известный как вихревая дорожка Кармана, происходит попеременно с разных сторон трубы. Срыв вихрей создает периодические колебания давления в воздухе, которые являются источником звука. Частота этих колебаний $f$ напрямую зависит от скорости ветра $v$ и диаметра трубы $d$. Эту зависимость можно описать с помощью числа Струхаля $Sh$ (для цилиндра $Sh \approx 0.2$):

$f = \frac{Sh \cdot v}{d}$

Сам по себе этот звук обычно тихий, но он служит "возбудителем" для второго процесса.

2. Акустический резонанс.

Печная труба, по сути, является резонатором — столбом воздуха, заключенным в стенки. Как и любой музыкальный инструмент (например, органная труба или флейта), столб воздуха в трубе имеет свои собственные, или резонансные, частоты колебаний. Эти частоты зависят от длины трубы $L$ и условий на ее концах (открыты они или закрыты).

• Для трубы, открытой с двух сторон, резонансные частоты определяются формулой: $f_n = \frac{n \cdot v_{звука}}{2L}$, где $v_{звука}$ — скорость звука, а $n = 1, 2, 3, ...$.
• Для трубы, открытой с одной стороны и закрытой с другой (например, если заслонка внизу закрыта), формула другая: $f_n = \frac{n \cdot v_{звука}}{4L}$, где $n = 1, 3, 5, ...$.

Вой возникает в тот момент, когда частота срыва вихрей $f$, создаваемая ветром, совпадает с одной из резонансных частот трубы $f_n$. В этом случае возникает резонанс: энергия от вихрей эффективно передается столбу воздуха в трубе, и звуковые колебания на этой частоте многократно усиливаются. Именно этот усиленный, чистый тон мы и слышим как вой или гул.

Поскольку скорость ветра непостоянна, частота срыва вихрей тоже меняется. Это объясняет, почему тон (высота) воя в трубе может меняться: при усилении ветра он становится выше, при ослаблении — ниже.

Ответ: Вой ветра в печной трубе возникает из-за явления акустического резонанса. Ветер, обтекая трубу, создает вихри, которые являются источником звуковых колебаний с определённой частотой. Если эта частота совпадает с одной из собственных резонансных частот столба воздуха внутри трубы, то звуковые колебания резко усиливаются, что и воспринимается как громкий вой.