Chladnin levy
Pöydällä on metallilevy, joka on kytketty moottoriin. Moottorin virtaa säätämällä voitte vaikuttaa siihen, miten levy heiluu. Älkää kytkekö laitetta vielä päälle.
Työssä käytette vain punaista taajuussäädintä. Jos koskette muihin säätimiin, sanokaa asiasta ohjaajalle. Huomaa, että laitteesta tulee jossain vaiheessa ääntä. Jotta korviin ei ala sattua, sammuttakaa laite aina kun luette ohjetta. Älkää muuttako jännitettä ilman ohjaajalta kysyttyä lupaa.
Virran taajuus (yksikkö hertsi, Hz) vaikuttaa, montako kertaa sekunnissa levy heilahtaa koko kierroksen ylös ja alas. Mieti, mitä tarkoittaa 5 Hz:n taajuus – onko liike nopeampaa vai hitaampaa kuin 1 Hz?
Laittakaa nyt jännitelähde päälle. Kokeilkaa 5 Hz:n taajuutta. Näyttääkö liike siltä, miltä ajattelit? Huomaatteko, miten taajuus vaikuttaa amplitudiin (miten kaukana keskiasemasta levy käy)?
Kokeilkaa korkeampia taajuuksia. Minkä taajuiset värähtelyt voitte nähdä? Entä mitkä värähtelyt voitte tuntea sormenpäällä? Mikä on kuulokynnyksenne, eli korkein ääni jonka voitte kuulla?
Mitä huomaatte? Miten levyn värähtelyn nopeus vaikuttaa syntyvään ääneen? (Miten tämä liittyy musiikkiin? Vertaa alla olevaan hidastettuun kuvaan viulunsoitosta. Esimerksi A4-nuotissa ilma värähtelee 440 Hz:n taajuudella, ”keski-C”:n taajuus on 261,63 Hz.)
(cc) Wikimedia Commons / ViolinB0W. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bowed_violin_string_in_slow_motion.gif
Chladnin kuviot
Tässä tunnetussa ja hyvin kauniissa fysiikan kokeessa tutkitaan niin sanottuja Chladnin kuvioita.
Kun levy pakotetaan keskeltä värähtelemään tietyllä taajuudella, sen pinta rupeaa aaltoilemaan ylös alas, ja nämä aallot etenevät keskeltä reunoja kohti. Jos levy pakotetaan värähtelemään ominaisvärähtelytaajuudella, niin syntyy seisova aalto. Alla näette liioitellun havainnollistuksen seisovasta aallosta metallilevyssä. Millainen olisi ei-seisova aalto?
Lähde: Steve Mould. Katso kotona video, siinä lyhyesti myös ilmiön matematiikasta. Youtubessa hakusanat ”Random couscous”, linkki: https://www.youtube.com/watch?v=CR_XL192wXw
Kokeilkaa seuraavaa:
- Laittakaa levy värähtelemään jollain ominaistaajuudella. Tälle levylle ominaistaajuuksia ovat 334 Hz, 469 Hz, 523 Hz, 787 Hz, 950 Hz ja 1047 Hz.
- Sirotelkaa noin ruokalusikallinen hiekkaa levyn päälle tasaisesti.
- Sammutakaa virta kokonaan, jottei melu häiritse muita.
- Pyyhkikää hiekka paperilla takaisin kippoon. Kokeilkaa toistaa koe käyttäen eri taajuutta.
Osaatteko selittää ilmiön? Katso edellistä kuvaa. Jos olisit itse hiekanjyvänen, missä kohti kuviota voisit pysyä paikallaan ja mistä lentäisit heti pois?
Kun saatte luvan siirtyä eteenpäin, kääntäkää taajuus nollaan laitteen ollessa päällä ja sammuttakaa laite. Pyyhkikää kaikki hiekka kippoon ja sulkekaa rasia. Työpisteen pitää jäädä siistiksi.