Объясняет Анатолий Подыман, физик-эксперт Центра развития физико-математического образования МФТИ (проект «Физика для всех»), учитель первой категории, член оргкомитета олимпиад «Курчатов», ОМО по физике, «Турнир имени М. В. Ломоносова» и «Физический праздник».
Наверняка многие из вас замечали интересное явление: если мокрым пальцем провести по краю стеклянного бокала, то появляется чистый протяжный звук. А самые внимательные еще и обращали внимание на то, что разные бокалы звучат по-разному. Или что если налить в них воду, то звук становится ниже. Как это работает и в чем тут вообще дело?
Источником звука является сам бокал: при трении о палец его стенки начинают быстро, но с очень маленькой амплитудой деформироваться, а затем возвращаться в исходное состояние. Так возникают колебания, которые передаются окружающему воздуху, из-за которых возникает звуковая волна. А если налить в бокал воду, то на её поверхности можно будет заметить рябь.
Зачем тогда мочить палец? При движении по стеклу палец на мгновение цепляется за поверхность, как бы увлекая ее за собой, потом срывается и снова цепляется, и так повторяется много раз. Такое движение называется прерывистым, или липким скольжением. Вода здесь выполняет связующую роль: она как бы подготавливает поверхности пальца и стекла, помогая создать между ними подходящее взаимодействие. Поэтому сухим пальцем получить такой устойчивый и красивый звук гораздо сложнее.
Теперь давайте разбираться, почему возникает музыкальная нота, а не случайный скрип или скрежет. У бокала, как у струны, камертона или мембраны барабана, есть собственные частоты колебаний — это в каком-то смысле уникальный «излюбленный ритм» каждого предмета, в котором он предпочитает колебаться. При скольжении пальца по бокалу возникает много разных частот, но сам бокал особенно хорошо поддерживает только ту частоту, которая совпадает с его собственной (а остальные при этом быстро затухают). Поэтому и получается, что «выживает» какой-то один чистый тон.
Почему из-за воды внутри бокала меняется звук? Вода буквально забирает на себя часть колебаний бокала, из-за чего вибрации происходят на меньшей частоте, а раздающийся звук кажется ниже.
Кстати, наверняка вы видели в фильмах сцены, в которых от пения лопаются бокалы. Такое действительно может быть! Это происходит потому, что певец долго выдерживает ноту, совпадающую с собственной частотой бокала, из-за чего возникает резонанс, который и «расшатывает» стенки бокала. Но это, пожалуй, тема для отдельной статьи :)