[киргиз]

После долгих размышлений представляю статью, коллеги, на ваш суд


О ЗВУКЕ КВОКА

Когда мы задумываемся о квокающем звуке, то возникают такие вопросы.
Как формируется воздушная бульба за пятачком? Какое давление внутри неё? Как возникает звук и почему он такой сильный? Попробуем рассмотреть самые общие соображения по каждому из этих вопросов.
Когда пятачок движется в воздухе ещё до касания воды, то сзади этого пятачка создаётся разрежение (вакуум). Окружающий воздух мгновенно заполняет разрежение. Оценим эту «мгновенность» хотя бы приблизительно. Допустим , квок движется со скоростью 1 м/сек. Молекулы воздуха находятся в непрерывном тепловом движении. Их средняя тепловая скорость составляет более 400 м/сек ! Когда пятачок создаёт за собой разрежение, то молекулы воздуха устремляются в это пустое пространство допустим со скоростью 50 м/сек (грубо учитываем все возможные ограничения: распределение скоростей по направлениям, завихрения, вязкость и др.) При такой скорости заполнения вакуума воздух «не заметит» движения пятачка. И даже в самой ближайшей области за пятачком вакуума нет. Такое явление сохраняется и при дальнейшем движении нашего пятачка уже в воде. Там сначала образуется водяная ямка, в которую мгновенно заходит воздух. Пятачок движется дальше и ямка углубляется. Формируется «воздушная трубка». Вода не может зайти в область трубки или хотя бы разорвать её на части. Воздух трубки «не пускает» воду. Зайти в область за пятачком одновременно с воздухом вода не может из-за того, что её «инерционность» значительно больше, чем у воздуха. (Пусть меня простят гидро- и аэродинамики за возможно неправильные термины. Главное - понять суть явления). В «воздушной трубке» пятачок работает как всасывающий поршень. Он постоянно создаёт за собой разрежение. Это разрежение мгновенно заполняется воздухом из ближайшей к пятачку области. Но теперь уже и эта область получит дефицит молекул. Пополняется дефицит из более далёкой от пятачка области. И так далее до момента, когда крайняя область разрежения заполнится воздухом из атмосферы. Процесс идёт непрерывно и общее давление в «трубке» будет близко к атмосферному, если «вход» для воздуха будет иметь такую же площадь, как и площадь пятачка. Кстати, на некоторых «квоковых» видеороликах интернета отчётливо прослушивается характерный «всасывающий» звук.
Но задняя часть «трубки» видимо немного сжимается водой и прохождение воздуха затрудняется. А если хотя бы чуть-чуть уменьшить проход для воздуха извне, то в этом месте всасываемый воздух будет двигаться с большей скоростью. Увеличение скорости потока воздуха приводит к уменьшению давления. Вода сдавит это место ещё больше. Скорость ещё возрастёт. И так далее. Произойдёт лавиноподобное закрытие трубки сзади. Это «захлопывание» сопровождается довольно сильным и резким звуком, передающимся в стенки ванны или в днище лодки. Можно предположить, что происходит гидроудар. Ведь в нашем случае вода, закрывая «трубку» сзади, устремляется от краёв «трубки» к центру. В центре сходятся все радиальные потоки и происходит резкая остановка движения воды. А это и есть условие возникновения гидроудара.
Но гидроудар может получиться и другим способом. Обратимся к такому эксперименту. Пусть пятачок расположен над водой горизонтально. Опустим его в воду с лёгким ударом. Если остановить пятачок под водой на глубине в пару сантиметров, то услышим звук, напоминающий звучание падающей в воду капли. Из центра закрывающейся водяной ямки вылетает тонкая струйка воды сантиметров на 20 вверх. Что же происходит в данном случае? Тут бульба не образуется. Для её образования необходимо продолжить движение пятачка в воду. Но продолжения нет и в образовавшуюся ямку со всех сторон заходит вода. Причём, нижние слои воды движутся к центру ямки быстрее. Это происходит потому, что у дна ямки давление воды больше, чем у поверхности. Получается, что вода заполняет ямку снизу, двигаясь к центру. А верхние слои опускаются вниз на место ушедших. И в центре все струи сталкиваются. Давление мгновенно возрастает и выталкивает вверх фонтанчик. Это тоже гидроудар, но малой силы. (В интернете есть видео-ролики с падающей в воду каплей и со звуком. Там тоже видно похожее выбрасывание центральной струйки.)
Но если применить «длинное», глубокое опускание пятака с остановкой где-то в полуметре от входа, то не исключено участие обоих механизмов захлопывания бульбы. Кстати, в этом случае тоже выстреливается тонкая струйка воды, но уже выше – сантиметров на 50. Ещё следует заметить, что при длинной косой прогонке пятачка с остановкой под водой бульба всплывает там, где пятак остановился. Это место может отстоять от места входа пятачка в воду тоже до полуметра.
А что же происходит после «закрытия» трубки? Окружающая вода имеет внутри себя давление, близкое к атмосферному. И если в закрывающейся «трубке» всё же был небольшой вакуум, то вода только чуть сдавит образовавшуюся бульбу. Оценить размеры «трубки» можно по видеосъёмке братьев Щербаковых. Возможно, бульба имеет длину около 20см или больше, в зависимости от скорости протяжки, глубины и т.п. Поверхностное натяжение воды видимо тоже участвует в этом процессе, придавая пузырьку округлую форму и удерживая его от разрыва. Теперь эта бульба движется за пятачком, увлекаемая мгновенным разрежением на его задней стороне.
Для формирования и удержания бульбы нужна определённая скорость движения пятачка. Если эта скорость высокая, то воздушный пузырь разорвётся. Если – низкая, то он оторвётся и всплывёт по закону Архимеда.
Теперь о том, как возникает звук на финише. Можно предположить, что звучание такой силы образуется с участием воздушного резонатора, каковым может быть наша бульба. Вспомним, как у квакающей лягушки надуваются на горле один или два пузыря. И летит квакание по реке на километры. Возможно и при нашем квокании происходит что-то подобное. Когда пятачок выходит из воды, то за ним открывется полость, заполненная воздухом. А классический воздушный резонатор представляет собой трубку, закрытую с одной стороны и открытую с другой. Если создать колебания воздуха у открытой части, то звук проходит по трубке до донышка и идёт назад. Прямая и обратная волны складываются. При определённом соотношении частот и фаз возникает стоячая волна с явлением резонанса. Формула для собственной резонансной частоты воздушного столба следующая:
Yn = ( V / 4L)n n= 1, 3, 5 …
Где Yn – частота (гц), V – скорость звука в воздухе, L – длина трубки, число n определяет 1 – ю, 2 – ю, 3 – ю … резонансные частоты. Если подставить в эту формулу скорость звука 330 м/сек а длину трубки 0,2 м (20 см), то получаем основную резонансную частоту около 400 герц. Это соответствует наблюдаемым Игорем Слепцовым и Сергеем1 частотам.
После срабатывания «трубки» как резонатора она захлопывается водой видимо по второму варианту гидроудара. Ведь тут уже нет всасывания. Мне кажется, что захлопывание бульбы на выходе пятачка из воды не даёт гидроудара большой силы. Такого как при закрывании «трубки» сзади при её формировании. Разделить эти два звука удаётся очень длинной протяжкой. При коротком кистевом ударе они сливаются.
В заключение опишу два интересных факта, которые подтверждают отсутствие заметного разрежения в бульбе.
Медленно опустим квок в воду и попытаемся создать именно вакуумную бульбу (классическую кавитацию). Для этого с большой скоростью перемещаем пятачок как при квокании. Ничего не выйдет. Вода мгновенно заполнит пространство за пятачком. Для классической кавитации нужны куда большие скорости.
Теперь второе наблюдение. Испытываю виброхвост на самодельной головке с шарнирным креплением. Головка имеет форму пульки пистолета Макарова – спереди круглая, сзади ровный срез. Если проводить такой виброхвост под водой у самой поверхности, то за головкой обязательно прицепится наша классическая воздушная бульбочка. Идя вдоль берега, можно протянуть её 10 метров и больше. Оторвать бульбочку удаётся сильным подёргиванием или остановкой движения.
Вот такие идеи приходят на ум в межсезонье, «долгими зимними вечерами». Извините, колеги, если получилось длинно и непонятно. Надеюсь на отзывы, особенно на критические. Всё изложенное это всего лишь гипотезы.
С УВАЖЕНИЕМ. Валера-krgyz.