Владимир Александров
Бежала капля по струне…

Любопытное явление, которое заметил и смоделировал читатель из Ижевска Владимир Алексеевич Александров, может быть детально исследовано любителями науки в институтских и школьных лабораториях.

На проводах воздушных линий радиосети после дождя иногда зависают небольшие капли воды. Удивительно, что они порой неожиданно трогаются с места и начинают довольно быстро скользить по горизонтальному проводу. Спрашивается: почему? Это явление нашло объяснение в связи со следующим.

Вихревая дорожка Кармана
Вихревая дорожка Кармана. В потоке воздуха, обтекающего тонкий провод, возникают периодические завихрения. Они отрываются от провода и улетают, порождая его колебания. При большой скорости ветра эти колебания воспринимаются на слух как свист. Они же могут вызывать движение дождевых капель по проводу.
Мы исследовали частотные характеристики пьезоэлектрического трансформатора. Для удобства работы его подвешивали на горизонтальном участке измерительного кабеля. И при определённых частотах возбуждения пьезоэлементов вблизи резонанса наблюдалось небольшое движение трансформатора вдоль кабеля. Возникло предположение, что оно связано с возбуждением пьезоэлементами высокочастотных упругих колебаний на поверхности кабеля.

Чтобы усилить эффект и исследовать его, было собрано простое устройство. На горизонтально натянутой металлической струне свободно подвешивали один пьезоэлемент, а для измерения частоты возбуждения струны к ней вблизи одной из точек закрепления припаивали другой. От генератора Г3–56/1 через тонкие гибкие провода на висящий пьезоэлемент подавали переменное электрическое напряжение, его частота фиксировалась частотомером Ч3–54. Величину и форму электрических напряжений на пьезоэлементах сравнивали с помощью двухканального осциллографа С1–55.

Подводя переменное электрическое напряжение амплитудой 30–40 вольт на подвешенный пьезоэлемент, удалось получить эффект транспортирования — механическое перемещение пьезоэлемента по струне с постоянной скоростью при определённых частотах его возбуждения. Для изменения направления движения или остановки пьезоэлемента оказалось достаточно сдвинуть частоту его колебаний ручкой настройки генератора. Сравнение осциллограмм показало, что эффект транспортирования вызван возбуждением бегущих волн упругих деформаций на струне. Частота возбуждения совпадает с резонансными частотами колебаний и близка к собственной частоте самого пьезоэлемента. Фазы гармонических колебаний струны и пьезоэлемента при этом отличаются на четверть полуволны (p/4).


Устройство для исследования эффекта транспортирования по струне.
Эксперименты были проведены на струнах длиной 400 миллиметров из латунной проволоки диаметром 0,8 миллиметра и из нихромовой проволоки диаметром 0,6 миллиметра. Масса подвески с пьезоэлементом составляла 3 грамма, для определения несущей способности её увеличивали латунным грузиком массой 13 граммов. Эффект транспортирования наблюдался уже вблизи основной частоты резонанса пьезоэлемента — 3,2–3,7 килогерца. При этом скорость движения подвески с грузиком составляла 3–8 мм/с. Повышение частоты возбуждения пьезоэлемента до 100 килогерц и более привело к увеличению скорости движения до 400–500 мм/с. При этом создаваемое усилие оценивалось в 0,05–0,07 ньютона. Относительное изменение частоты возбуждения для изменения направления движения пьезоэлемента по струне составило около 1%. Например, при движении грузика по струне влево и вправо частотомер показывал частоту соответственно 100,17 и 101,22 килогерца. Несущая способность струны сохранялась, когда сам пьезоэлемент находился в неподвижном состоянии. В этом случае наблюдалось движение подвешенных грузиков по струне, хотя их скорость перемещения была значительно ниже — 5–10 мм/с.

Из этих экспериментов становится понятным движение капель воды вдоль горизонтально расположенного провода, которое может быть вызвано возбуждением на нём бегущих упругих волн ветром.

Транспортирование по струне имеет определённую аналогию с работой низкочастотного транспортёра и высокочастотного волнового преобразователя движения. Первый используется для перемещения сыпучих грузов по конвейеру, желоб которого вибрирует с частотой 8–10 герц и амплитудой 5–7 миллиметров, а второй — в пьезоэлектрических двигателях и волновых насосах.

Эффект транспортирования по струне можно использовать для создания высокочастотных линейных двигателей и приводов, например, для перемещения исследуемых объектов внутри вакуумной камеры. Такой привод требует минимума деталей — только струны и пьезоэлемента.

Наука и жизнь

Статьи близкой тематики:
Вода знакомая и загадочная.  Леонид Кульский, Воля Даль, Людмила Ленчина.
Самое необычное вещество в мире.  Академик И. В. Петрянов-Соколов.
Солитоны.  А. Голубев.

2007 Copyright © AstroSearch.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования