Клуб почемучек. Почему ветер воет?

Сегодня пятница, а значит в моем блоге выходит очередной выпуск "Клуба почемучек". Сегодня я отвечу на вопрос Наташи и ее дочки Аси (3,5 лет) "Почему воет и свистит ветер?" 

Помните, у Маршака? 

Дуют ветры в феврале,

Воют в трубах громко.

Змейкой вьется по земле.

Легкая поземка.

Или описание зимнего вечера у Пушкина:

Буря мглою небо кроет,
Вихри снежные крутя;
То, как зверь, она завоет,
То заплачет, как дитя,
То по кровле обветшалой
Вдруг соломой зашумит,
То, как путник запоздалый,
К нам в окошко застучит.

У нас сейчас хоть и не февраль, а ветры дуют такие, что все вокруг воет, поет и свистит. Отгадайте загадку: "Летает, а не птица, воет, а не зверь". Правильно, это ветер. В одном из выпусков Клуба мы с вами уже разбирали,  почему дует ветер и делали флюгер для определения направления ветра. А вот почему же воет ветер, ведь у него нет ни рта, ни языка? Это мы узнаем сегодня.

Давайте сначала разберемся, как получается звук. 

Возьмите канцелярскую резинку. Натяните ее потуже между пальцами. И пусть ребенок зацепит ее. Резинка мелко-мелко задрожит, и мы услышим звук!

Рождение звука

Звук - это вибрация. Резинка дрожит, и качает собою воздух, создавая в нем волну. Эта волна катится так же, как катятся волны по воде, если мы будем болтать в ней рукою. И в конце-концов воздушная волна достигает нашего уха. А внутри уха есть такая перегородочка - барабанная перепонка. Волны воздуха качают ее, вибрация барабанной перепонки передается по специальным косточкам к слуховому нерву, а наш мозг преобразовывает ее в звук.

Мы слышим не любую вибрацию. Чтобы воздушная волна стала нам слышна, она должна иметь определенную частоту. То есть скорость дрожания источника звука должна быть больше одной величины и меньше другой. Если что-то дрожит 16-20 раз в секунду, то мы слышим это как "низкий" звук, гудение. Если что-то дрожит 10-20 тысяч раз в секунду, то мы слышим это как "высокий звук", тоненький писк. 

Не все слышат так. Например, бабочка воспринимает звук от 8 тысяч до 160 тысяч колебаний в секунду. То есть, она не услышит человека, говорящего басом. Но услышит ребенка со звонким писклявым голосом. Но еще более удивительно то, что она услышит такие тонкие звуки, которые уже не слышны нам!

Эта бабочка слышит то, что не можем услышать мы

Так почему же мы слышим голос ветра? И почему у него такие разные голоса?

Когда ветер дует медленно, он просто огибает, обтекает все препятствия, которые встречаются ему на пути. Например, ветви деревьев, провода. И мы никакого звука не слышим. Но если скорость ветра высока, то давление воздуха на препятствия возрастает, потоки ветра об них рассекаются, создаются вихри, которые заставляют провод или ветку мелко-мелко дрожать. И мы слышим свист.

Возьмите тонкую и длинную ветку. Попробуйте ею медленно помотать из стороны в сторону. Мы ничего не услышим.

Но если мотать веткой быстро-быстро, то мы услышим свист. Такой же как от ветра. Только во время ветра воздух сам летит на ветки, а в опыте нам пришлось сделать так, чтобы ветка летела в воздухе.

Похожее явление происходит, когда ветер с силой пролетает через узкие щели в окнах и дверях. Он в них свистит и пищит.

Давайте сделаем свисток, который будет свистеть как ветер. (Я показывала его в статье "Самодельные музыкальные инструменты"). Для этого надо взять колпачок от ручки или фломастера, отрезать у него донышко, чтобы получилась трубка. И натянуть поперек конца трубки полоску резинки, вырезанную из воздушного шарика. Полоска должна оставить по краям дырки небольшие щели, чтобы в них проходил воздух. Теперь, если мы начнем дуть в свободный конец трубочки, то ветер будет пролетать через узкие щелочки, заставляя вибрировать края резинки. И мы услышим тонкий писк.

Самодельный свисток

А как у ветра получается воющий звук? Такой звук обычно возникает в трубе. Например, у нас в квартире из вентиляционного отверстия в ветреные дни можно услышать жуткие завывания. Как они получаются?

Возьмите обычную пластиковую бутылку. Поднесите ее к губам под небольшим углом и подуйте вдоль горлышка (не внутрь). Что вы услышите? Вой ветра! Почему мы его слышим? Поток выдуваемого нами воздуха частично попадает в бутылку, а частично проходит мимо. Из-за разности скорости потоков у горлышка давление воздуха повышается, поэтому поток воздуха в горлышко прекращается, давление падает, поток снова начинается. И из-за этих колебаний возникает воздушная волна, которую мы слышим как гудение.

Гудящая бутылка

Когда-то давным-давно один человек, проходя мимо пруда, услышал мелодичное гудение. Он очень удивился и пошел проверить, кто это поет в тростнике. Но никого там не нашел. Тогда он пригляделся и увидел, что этот звук издает на ветру надломленная трубочка тростника. Он срезал эту трубочку и стал сам в нее дуть - так получилась первая дудочка! Со временем, пробуя разные способы, люди придумали десятки различных музыкальных инструментов, основанных на этом принципе. Можно, например, в тростинке проделать несколько отверстий. Открывая-закрывая их, можно получить разную высоту звука. Так возникла флейта.

Продольная флейта

А можно сложить вместе несколько трубочек разной длины - получим разные "голоса", расположенные в один ряд. Этот инструмент называется флейта Пана. В честь древнегреческого козлоногого бога Пана, покровителя пастушества, плодородия и дикой природы. На этой флейте играли пастухи, бродя за своими стадами по горам и долинам Греции. (Как сделать флейту Пана из коктейльных трубочек, я показывала здесь).

Флейта Пана

Так же на принципе изменения давления воздуха действуют обычные свистульки, свистки и дудочки.

Но бывает, что рядом нет ни проводов, ни деревьев, ни щелей или труб, а ветер воет на разные голоса. Например, в степи. Летом этот вой и свист возникает от того, что трава рассекает воздух. Кроме того, такой вой может возникнуть от трения больших воздушных масс, внутри которых есть неоднородности. Например, снежинки, если дело происходит зимою.

Сверчков Н.Е.  Ямская тройка, застигнутая метелью

Надеюсь, у Аси получилось самой посвистеть и погудеть, и теперь ей стало понятнее, почему воет ветер :)

Архив прошлых выпусков "Клуба почемучек" можно посмотреть ЗДЕСЬ.

Материалы по теме:
Классная физика. Звуковые волны. http://class-fizika.narod.ru/9_26.htm
Б.Н.Суслов. Звук и слух. http://www.e-reading-lib.org/bookreader.php/139731/Suslov_-_Zvuk_i_sluh.html