Invitation to Science InquiryInvitation to Science Inquiry : Missugused on heli omadused?

Missugused on heli omadused?

12.1 Milline võimendi töötab kõige paremini?

Kammi piide võnkumisel tekkivat heli saab võimendada, kui panna kamm vastu esemeid, näiteks vastu lauda.

Vahendid:

1. Odav väike kamm igale õpilasele

Protseduur:

1. Hoia kammi ja tõmba sõrmeküünega kammi piisid.

2. Küsi õpilastelt: „Kuidas saab häält võimendada?“

3. Hoia kammi otsa vastu lauda ning tõmba jälle kammi piisid.

4. Jaga õpilastele erinevad kammid ning lase neil kammi vastu erinevaid esemeid panna. Lase neil kammi piidega häält teha ning leida, millised esemed annavad parima võimenduse.

5. Pööra õpilaste tähelepanu sellele, et erinevate pikkustega kammi hambad annavad erinevaid helikõrgusi.

Kuidas hääl võimsamaks muutus?
Miks me kuuleme heli valjemini, kui kamm vastu mingit eset panna?
Millised tegurid mõjutavad heli valjust?
Millised esemed on kammile parim võimendi?
Miks tekkisid kammi hammaste võnkumisel erinevad helikõrgused?

Selgitus Kui kammi hoida vastu lauda ning selle piid võnkuma panna, siis tegelikult võngub lisaks kammile ja tema piidele terve laua pind. Et laud  on suur, paneb see ka õhu rohkem võnkuma ja heli tugevus suureneb. Heli tugevust mõjutavad kaugus heliallikast, võnkumise amplituud (kui tugevasti kammi piid võnguvad) ja võnkuva eseme omadused. Üldiselt on parimad helivõimendajad puidust karbid. Seetõttu on klaverid ehitatud puidust, kitarride ja viiulite kõlakastid ning kõlarite kastid on puidust.

12.2 Vastupidine helikõrgus

Heli kõrguse sõltuvus poolenisti täidetud pudeli omadustest.

Vahendid:

1. Kolm samasugust tühja pudelit
2. Puidust pulk

Protseduur:

1. Täida kolm pudelit erinevate koguste veega ja küsi õpilastelt: „Kui pudeleid pulgaga lüüa, siis milline pudel tekitab kõige kõrgema tooni?“

2. Tõsta pudel kahe sõrmega pudelikaelast üles ning löö pulgaga vastu pudelit ja kuula, milline toon tekib.

3. Nüüd küsi õpilastelt: „Kas madalaima veetasemega pudel annab alati kõrgeima tooni?“

4. Puhu nüüd pudeli suule sellega peaaegu horisontaalselt. Kuula nüüd helikõrgust.

Mis vibreeris, kui pudelit löödi?
Mis tekitas heli kui pudeli suule puhuti?
Mis mõjutab üldiselt tekkiva heli kõrgust?
Kas erinevad vedelikud sama vedelikutasemega mõjutaks helikõrgust? Kui pudelit lüüa? Kui pudeli suule puhuda?

Selgitus Kui pudelit puidust pulgaga löödi, hakkasid pudel ja vesi vibreerima ning tekitasid heli. Mida rohkem vett pudelis on, seda madalam on helikõrgus. Kui pudelisuule puhuda, siis hakkas vibreerima vee kohal olev õhk. Mida rohkem on õhku, seda madalam on helikõrgus. Neid asjaolusid arvestades saab öelda, et mida suurem on vibreeriva materjali mass, seda madalam heli tekib. Seetõttu tekivad ka kitarri või klaveri madalamad toonid pikematest ja suurematest keeltest. Kui keelte pikkusi lühendada (asetades sõrme keelele), tekib kõrgem heli. Kasutades pudelis erinevaid vedelikke tekiks pulgaga löömisel helikõrgus ilmselt erinev, kuigi veetasemed jäävad samaks. See on põhjustatud vedelike erinevatest massidest. Pudeli suule puhudes jääb helikõrgus samaks, sest õhku pudelis on ikka sama palju.

12.3 Kõrrest oboe

Teeme kõrrest oboe ja uurime, millest sõltub selle tekitatava heli kõrgus.

Vahendid:

1. Kaks plastmassist joogikõrt
2. Käärid

Protseduur:

1. Lõika kõrre ühele otsale augud umbes 1 kuni 1,5 cm pikkuste vahedega.

2. Tee mõlema kõrre üks ots lamedaks ning lõika sellest välja kolmnurksed kujud.

3. Pane see kõrre ots suhu ning hoia huuled seal, kus lõigatud osa lõpeb. Puhu kuni oboe tekitab häält.

4. Aseta vasaku käe kolm sõrme kaugematele aukudele ning parema käe kolm sõrme lähematele kolmele augule. Ava või kata auke, et erinevaid helikõrgusi tekitada.

5. Nüüd puhu aukudeta kõrt. Tekita häält kääridega kõrre otsast juppide mahalõikamisega.

Mis tekitas tegelikult heli?
Milline helikõrgus tekib, kui kõik augud sulgeda, võrreldes sellega, kui kõik augud on lahti?
Mida muudab aukude avamine või sulgemine õhu võnkumisele mõeldes?
Millised muusikainstrumendid töötavad sellel põhimõttel?

Selgitus See katse näitab hästi, kuidas helikõrgus sõltub vibreerivast õhust. Kõrre otsade lõikamisega tekib kaks väljaulatuvat osa mis vibreerivad ja tekitavad heli, kui kõrrest õhku läbi puhuda. Kõrres olev õhusammas võngub koos kõrrega ning tekitab heli. Kõrres olevate aukudega saame võnkuvat õhusammast pikendada või lühendada kindlate aukude sulgemise või avamisega. Selliselt töötab näiteks flööt, klarnet, oboe, ja saksofon.

12.4 Sikuta kummipaela

Venitatud kummipaelaga tinistamine annab üllatava tulemuse võrdluses kitarriga.

Vahendid:

1. Väike keskmise jämedusega kummipael

Protseduur:

1. Aseta kummipael pöidla ja nimetissõrme vahele ning pinguta seda veidi.

2. Hoia paela kõrva lähedal ja sikuta seda teise käega.

3. Pinguta pael pikemaks ja sikuta seda uuesti. Millist tooni sa nüüd kuuled?

Kas helikõrgus muutus kui kumm pikemaks venitada?
Milline omadus kummipaelas muutus, kui seda venitati?
Milline omadus muutub, kui kitarrikeelt pingutada?
Millised omadused ei muutu, kui kitarrikeelt pingutada?
Millised on need omadused võrreldes kummipaela omadustega?
Kuidas saab kitarrikeelte helikõrgust muuta?
Kuidas saab kummipaela helikõrgust muuta?

Selgitus Kui kummipaela pingutada ning sikutada, siis helikõrgus jäi umbes samaks, kui ta just ei muutunud veidi madalamaks. See on vastupidine arvamusele, milleks on see, et venitatud kumm tekitab kõrgemat helikõrgust. Kui kitarrikeelt pingutada, siis helikõrgus läheb kõrgemaks, sest pinge kahe kinnituskoha vahel on suurem ning keel vibreerib suurema sagedusega. Keele pikkus ja tihedus jäävad selle juures samaks. Kui kummipaela venitada, siis kõik kolm omadust (pinge, pikkus ja tihedus) muutuvad. Kõrgema pinge tõttu peaks helikõrgus tõusma, aga see nullitakse pikkuse suurenemisega, mis helikõrgust alandab. Kui kummipaela pikkust jäävana hoida, siis muutub tema helikõrgus sarnaselt kitarrikeelele. Seda saab teha kummipaela venitamisel tühja kasti ümber.

12.5 Torust ja kõrrest tromboonid

Vahendid:

1. Kaks j?ika plasttoru (?ks diameetrilt veidi suurem kui teine)
2. Kaks joogikõrt
3. Propaanleek

Protseduur:

1. Süüta põleti ja aseta ta kõige suurema leegiga asendisse.

2. Hoia ühte jäika toru vertikaalselt ning liiguta seda aeglaselt leegi suunas kuni tekib heli.

3. Liiguta suuremat toru üles-alla ning hoia mõlemaid torusid leegi kohal (trombooni efekt).

4. Tee üks kõrre ots lapikuks ning lõika sellest välja kolmnurksed osad, et teha kõrrest oboe.

5. Puhudes läbi selle oboe tekib toon. Liiguta teist kõrt esimese peal sisse ja välja (trombooni efekt).

Kuidas tekkis torus heli?
Mis muutis liikuvates torudes helikõrgust?
Mis tekitas heli kõrrest oboes?

Selgitus Torus olev soojus tekitab selles õhu paisumise ning õhk hakkab torus liikuma, mistõttu tekib resoneeriv heli: avatud otstega torus tekib seisulaine. Mida pikem toru, seda pikemad lainepikkused seisvas laines tekivad ja seetõttu tulevad madalamad toonid. Sama kehtib libisevate kõrte korral selle muudatusega, et heli tekib vibreerivate kõrtega. See vibreerimine tekib õhu puhumisega.

12.6 Laulev klaas

Vahendid:

1. Veiniklaas
2. Äädikas

Protseduur:

1. Pese oma käed seebiga ning aseta veiniklaas lauale.

2. Kasta üks sõrm äädikasse, hoia teise käega veiniklaasi paigal ja liiguta äädikaga kastetud sõrme mööda klaasi äärt.

3. Liigutamine peaks olema üsna aeglane (kui sõrm liigub klaasil ilma hääleta, siis järelikult on klaasi äär rasvane või pole sinu näpp piisavalt puhas.

4. Vala klaasi natuke vett ning liiguta uuesti sõrme klaasi äärel. Helikõrgus muutub.

Mis eesmärk on selles katses äädikal?
Miks peavad klaas ja sõrm olema puhtad?
Mida teeb sõrm tegelikult, kui seda vastu klaasi äärt liigutada?
Mis juhtub helikõrgusega, kui valada klaasi vett?

Selgitus Kui sõrme vastu klaasi äärt liigutada, siis see ei peaks klaasil lihtsalt libisema vaid peatuma ja edasi libisema, mis juhtub väga kiiresti. See on sama kui lüüa raske objektiga kiirelt ja õrnalt klaasi äärde . See töötab nagu kella haamer. Kohe kui esimesed vibratsioonid on tekkinud, hakkab klaas resoneerima, sest tekkiv helikõrgus on samasugune nagu klaasil. Vee lisamisega vibreeriva osa mass suureneb ning seetõttu helikõrgus langeb.

12.7 Samasugused seibid

Sama võnkesagedusega üksteisega seotud pendlite võnkumise uurimine.

Vahendid:

1. Kaks püstist stendi ja 7 ühesugust seibi
2. Kerge nöör või niit

Protseduur:

1. Aseta püstised stendid üksteisest umbes 50 cm kaugusele ja ühenda need nööriga.

2. Seo nööri külge nööride otsas rippuvad seibid.

3. Aseta seibid erinevate nööripikkustega (1. seib 20 cm, 2. 15 cm, 3. 20 cm, 4. 15 cm, 5. 5 cm, 6. 10 cm, 7. 15 cm).

4. Pane 7. seib võnkuma ning jälgi teisi seibe.

Miks hakkasid seibid numbritega 2 ja 4 koos seibiga 7 võnkuma?
Kui panna võnkuma seib number 2, siis milline seib hakkaks sellega kaasa võnkuma?
Kui panna võnkuma seib number 1, siis milline seib hakkaks sellega kaasa võnkuma?
Kuidas saab seda katset võrrelda heliallika ja resoneeriva objektiga?

Selgitus See katse on hea näide iseloomustamaks resonantsi. Kui seib number 7 panna võnkuma, hakkavad võnkuma ka seibid numbritega 2 ja 4. Seibi number 7 võib võrrelda vibratsiooniallikaga ja seibe numbritega 2 ja 4 läksid võnkumisega kaasa. Sama olukord juhtub siis, kui esimesena panna võnkuma seib 2 või 4. Sama nööripikkusega seibid võnguvad koos algse võnkumisallikaga. Seega kui võnkuma panna seib number 1, siis ainult number 3 võngub sellega kaasa. Resonantsi korral peab resoneerival objektil olema sama sagedus kui allika vibratsiooni sagedus. Vahel võib objekt ise vibratsiooni allikaks olla, mistõttu vibratsioon kasvab oma vibreerimise tõttu. Selline olukord oli ka Tacoma sillaga Washingtoni osariigis, mis hakkas tugeva tuule tõttu vibreerima.

12.8 Võnkuv raamat

Kes oskab puhuda rippuva raamatu 45 kraadise nurga alla vertikaalasendist?

Vahendid:

1. Taskuraamat
2. Stend
3. Nöör

Protseduur:

1. Seo kaks nööri taskuraamatu külge ja riputa see stendi külge (vaata jooniselt).

2. Hoia raamatut vertikaaliga umbes 45 kraadise nurga all ning küsi õpilastelt: „Kas ma suudaksin raamatu vastu puhuda, kuni raamat on lõpuks nii kaugel?“ (Eeldatav vastus: ei).

3. Lase raamatul rippuda ning puhu raamatule perioodiliselt õhku (nagu kellegi lükkamine, et kiigule hoogu anda).

Miks pole võimalik ühe puhumisega raamatut vertikaalist 45 kraadi võrra eemale kallutada?
Mis on kõige tähtsam, et raamat võnguks puhumisel järjest kaugemale?
Kuidas saab raamatut peatada ilma seda puutumata?
Kuidas saab võrrelda raamatu võnkumist ja sellele puhumist heli ja resonantsiga?

Selgitus See on hea näide resonantsi iseloomu näitamiseks. Kui me tegeleme resonantsiga, siis alati on võnkumise allikas ja mingi objekt, mis resoneerib allika võnkumisega. Vastu raamatut puhumist võib võrrelda võnkumise allikaga ja võnkuvat raamatut võib võrrelda objektiga, mis resoneerib allikaga. Kui puhumine on raamatu võnkumisega samas faasis, siis see võngub järjest kõrgemale? Heli korral kui heliallikas võngub vibreeriva objektiga samal sagedusel, siis nad tekitavad resonantsi. Raamatu võnkumise peatamiseks peab puhuma võnkumisega vastasfaasis. Heli korral tuleb resonantsi peatamiseks allika sagedus olema vastupidine objekti vibreerimise sagedusega. Teine võimalus on see, et objekt peab võnkuma erineva sagedusega kui allikas.

12.9 Laulev pudel

Helihargiga häälestatud pudel hakkab helihargiga kaasa helisema.

Vahendid:

1. Kolm või neli samasugust pudelit
2. Helihark

Protseduur:

1. Aseta neli pudelit lauale ja täida nad erinevate koguste veega.

2. Löö helihargiga vastu pudelit ning kuula helitooni.

3. Täida üks pudelitest piisava koguse veega, et õhusammas vee kohal vibreerib (pudelile puhudes) helihargiga sama tooniga.

4. Aseta see pudel teiste pudelite sekka, löö sellele helihargiga ja hoia seda vastu igat pudelit (igal pudelil umbes sekundiks peatudes).

Milline pudel „laulab“ helihargiga?
Miks teised pudelid ei „laula“ helihargiga?
Kuidas me teisi pudeleid „laulma“ saame?
Mis tekitab pudeli resoneerimise helihargiga?
Kus me sellist olukorda igapäevaelus näha võime?

Selgitus Kuna ainult ühe pudeli veetase oli reguleeritud nii, et õhk selle kohal vibreeriks helihargiga sama tooniga, on see pudel ainuke, mis resoneerib helihargiga. Õhusambad teistes pudelites on kas liiga suured või liiga väikesed, et „laulda“ või helihargiga resoneerida. Teiste pudelite võnkumise sagedus pole helihargi võnkumise sagedusega sama ning seetõttu nad ei hakka koos vibreerima. Igapäevaelus leiab see kasutust siis, kui mingit kindlat tooni kitarrile või klaverile ette anda. Ainult kindlatel keeltel on sama helikõrgus ning seetõttu resoneerib algse helikõrgusega.

12.10 Hääletu kell

Heli ei levi vaakumis. Selles katses demonstreeritakse seda pudelis, kus on vett keedetud.

Vahendid:

1. Keeduklaas
2. Väike kell
3. Kummist kork
4. Rauast juhe
5. Üks põleti ja statiiv
6. Riie

Protseduur:

1. Kinnita väike kell juhtmega ja pane juhtme teine ots kummist korgi sisse. Muuda kella kõrgust, et see asuks keeduklaasi keskpunktis, kui kork sulgeda.

2. Sulge keeduklaas korgiga, raputa keeduklaasi ning lase õpilastel helisemist kuulata (nõrk kõrge toon peaks olema kuuldav).

3. Võta kork keeduklaasilt, vala sinna umbes 20 ml vett, kuumuta seda põleti ja stendi abiga ning lase veel keema minna.

4. Lase veel paar minutit keeda ja siis pane keeduklaasile kork peale ning eemalda keeduklaas leegist (hoia keeduklaasi riidega, et mitte põletust saada).

5. Lase keeduklaasil jahtuda, raputa siis seda ning ürita mingit tooni kuulata.

Miks kella helisemine kadus peale vee keetmist?
Mis eesmärk on keeval veel?
Kui hääl leviks vaakumis, kas me kuuleks kosmoses oleva raketi liikumist?
Miks hääl läbi vaakumi ei liigu?

Selgitus Et inimene häält kuuleks, peavad helilained jõudma tema kõrvadeni, kas see on siis läbi gaasi, vedeliku või tahkise. Lainete levimiseks on vaja mingit keskkonda. Me kuuleme enda ümber hääli, sest õhk on igal pool. Keeduklaasis tekitasime me osalise vaakumi. Vee keetmisega tekkis aur ja see ajas enamuse õhust keeduklaasist välja. Kui keeduklaas jahtus, siis aur kondenseerus veeks ning keeduklaasi ei jäänud peaaegu üldse õhku. Seetõttu ei olnud ka kella helisemist kuulda. Ükski heliallikas, mis on kosmoses, ei tekita heli. See on üks põhjuseid, miks me ei kuule suuri päikeseplahvatusi ja kosmosereiside hääli maapinnalt.

12.11 Kuula lõhkevaid mulle

See on kuulda, kui hoolikalt kuulata.

Vahendid:

1. Plekkpurk karastusjoogiga
2. Katseklaas või joogiklaas
3. Alka Seltzeri tablett (võ?i mõni muu tablett, mis vees lahustumisel tekitab mulle)

Protseduur:

1. Ava plekkpurk ning aseta see koheselt oma kõrva äärde. Kui purki ei ole, liigu kohe teise punkti juurde.

2. Täida katseklaas või joogiklaas veega ning aseta sellesse tablett. Aseta katseklaas koheselt kõrva äärde.

3. Kuula lõhkevaid mulle.

Mis hääli oli katseklaasis kuulda?
Miks pole mullide lõhkemist kuulda läbi õhu?
Mida sa teed, kui tahad midagi paremini kuulda?
Millisest ainest hääl läbi läks?
Kas hääl liigub kergemini läbi vedeliku või gaasi?

Selgitus Selles katses on heliallikaks tableti tõttu tekkivate mullidega lõhkemine. Need mullid tekitavad vedelikus lained, mis jõuavad purgi või katseklaasi seinani. See hakkab vibreerima ning õhk kõrva juures viib vibratsioonid trummikiledeni. Kui me viime heliallika kõrvale lähemale, kuuleme me seda paremini. Nagu ka kella tiksumise või südamelöökide kuulamise korral peame me paremini kuulmiseks kõrva heliallikale lähemale viima. Heli liigub läbi vedelike kiiremini ja lihtsamini võrreldes läbi gaaside. Seetõttu on kahe kivi kokkulöömist paremini kuulda vee all kui vee kohal (katseta seda basseinis).

12.12 Plekkpurgist telefon

Kaks plekkpurki, üks nöör, kokku saab telefon. Kuidas see töötab?

Vahendid:

1. Kaks tühja plekkpurki
2. Nöör
3. Nael
4. Haamer
5. Purgiavaja

Protseduur:

1. Lõika purkide ühed otsad purgiavajaga maha.

2. Löö haamri ja naelaga purgi teise otsa keskele üks auk.

3. Kinnita nöör kahe purgi vahele nii, et purkide suletud otsad oleksid üksteise poole. Seo nööride otsa suured sõlmed, et see august välja ei tuleks.

4. Lase kahel õpilasel klassiruumi vastasseinade ääres seista. Hoia purke nii, et nöör oleks pingul ning lase õpilastel kordamööda vaikselt rääkida ning kuulata (vaata joonist).

Kuidas liikus hääl õpilase kõrva?
Mida tegi õpilase rääkimine purgi põhjaga?
Miks pidi nöör olema pingul?
Kas see katse töötaks, kui me kasutaksime nööri asemel kahe purgi vahel metallist toru?
Kas klassiruumi erinevates otstes on kuulda sosinat läbi „telefoni“? Läbi õhu?

Selgitus Purki rääkimisega tekitavad häälepaelad õhu vibreerimise. Need vibratsioonid kanduvad purgi põhja, mis hakkab samuti vibreerima. Samad vibratsioonid liiguvad pikilainetena mööda nööri, mistõttu hakkab ka teise purgi põhi vibreerima. Õhk teises purgis toodab seega samasugused vibratsioonid, mis olid esimeses purgis. Seetõttu tekib teises purgis esimese purgiga võrreldes samasugune hääl. Sosistamist pole võimalik klassiruumi erinevates otstes seistes kuulda, kui heli levib läbi õhu, küll aga on seda kuulda antud „telefoniga“. Lained liiguvad mööda nööri ning on seetõttu lihtsustatud. Heli liigub lihtsamini läbi tahkiste kui läbi gaaside.

12.13 Riidehoidjast kirikukell

Traadist riidepuu heli jõuab kõrva mööda nööri paremini kui mööda õhku.

Vahendid:

1. Pliiats kustutuskummiga
2. Väike nöörijupp
3. Metallist riidehoidja

Protseduur:

1. Seo nöör tugevalt pliiatsi (kustutuskummist teise otsa) ja riidehoidja konksu külge.

2. Aseta kustutuskummiga ots endale kõrva ning seda seal hoides pane riidehoidja võnkuma. Lase riidehoidjal põrgata vastu tahket eset (või löö teise pliiatsiga vastu riidehoidjat).

Mida sa kuuled, kui pliiats kõrvas on?
Miks ei olnud riidehoidja võnkumist kuulda läbi õhu?
Mis oli heliallikaks?
Kirjelda, kuidas vibratsioonid allikast kõrvani jõuavad.
Milliseid teisi objekte võib riidehoidja asemel nööri külge riputada?
Mida peaks tegema, et kellegi südamelööke kuulda?
Milliseid teisi sarnaseid juhtumeid võime me kohata igapäevaelus?

Selgitus Tahket objekti tabav riidehoidja käitub nagu heliallikas. Vibratsioonid liiguvad mööda nööri ja pliiatsit kõrva trummikileni. Kuna nöör ja pliiats on tahked, on helilainetel palju lihtsam liikuda kui ta liiguks läbi õhu. Heli on kuuldav, sest pliiatsi vibreerimine kandub kõrva trummikileni. Et inimese südamelööke kuulda, paneme me oma kõrva vastu tema rinda. Rongi tulemist on palju varem kuulda, kui panna kõrv vastu raudteerööbast.

12.14 Resoneeriv toru

Vahendid:

1. Alumiiniumist toru (d=2cm, l=1m)
2. Niiske riie

Protseduur:

1. Tasakaalusta alumiiniumist toru oma parema käe peal seda pöidla ja ühe sõrme vahel hoides.

2. Hõõru toru vasakpoolset otsa aeglaselt ja üsna õrnalt niiske riidega (proovi seda mõned korrad, kuni tekib kõrge tooniga heli).

3. Kui hõõrumine ei õnnestu, löö toruga vastu kõva pinda või löö mingi kõva objektiga vastu toru.

4. Katkesta vibratsioon toru ühest otsast vasaku käega kinni võttes.

Mida tegi torule hõõrumin?
Miks tekitavad nii hõõrumine kui ka toru löömine sama kõrge tooni?
Kas pulga küljele löömine tekitaks samasuguse tooni?
Miks saab vibratsiooni peatada, kui võtta toru sellest otsast kinni, millele ei löödud või mida ei hõõrutud?

Selgitus Niiske riidega alumiiniumtoru hõõrumine tekitas riide libisemise ja haardumise kordamööda, mistõttu tekkis torus pikilaine. Pulga löömine tekitab samasuguse pikilaine, mis liigub läbi kogu toru, mitte ainult selles toru pooles, kust heli pärineb. Seetõttu saab vibratsiooni peatada, kui kummastki otsast käega kinni võtta. Kui toru lüüa küljele, mitte otsale, tekib vastupidine laine, millel on palju pikem lainepikkus ja seega tekib pikilainega võrreldes palju madalam toon.

12.15 Mitmehäälne toru

Toru võnkumine sõltuvana kinnituskohast

Vahendid:

1. Alumiiniumist toru (d=2cm, l=1m)
2. Golfipall või kõva kummist ese

Protseduur:

1. Tasakaalusta toru oma paremal käel pöidla ja ühe sõrme vahel.

2. Löö golfipalliga toru keskpunkti lähedale.

3. Tee torule kriipsud keskpunktist 13, 25, 35 ja 39 cm kaugusele (need on umbkaudsed kaugused, õigeid kohti võib leida golfipalliga vastu toru lüües, need kohad tekitavad resoneeriva tooni).

4. Hoia toru märgitud kohtadest pöidla ja ühe sõrmega vertikaalselt kinni ning löö golfipalliga vastu toru. Millist tooni sa kuuled?

Miks tekkisid torus erinevad toonid?
Kas toru erinevatest punktidest kinnihoidmine muutis hääletooni?
Kas vibratsioon jätkuks, kui hoida torust kinni rohkem kui ühest kohast? Rohkem kui kahest kohast? Millistest kohtadest?
Millistest kohtadest kinni hoides tekib samasugune hääletoon?
Millisest kohast kinni hoides tekib kõrgeim toon? Madalaim toon?

Selgitus Toru ühest kohast kinni hoides ning golfipalliga vastu toru lüües tekitame me torus vibratsiooni, mistõttu tekib seisulaine. See on tuvastatav kindla tooniga sõltuvalt sellest, millisest punktist torust kinni hoida. Koht keskpunktist 25 cm kaugusel tekitab madalaima tooni, keskpunktist 13 ja 39 cm kaugusel tekitab kõrgeima tooni. See on põhjustatud lühemast lainepikkusest.

12.16 Keerlev pasun

Lainelise toru keerutamisel tekib seal heli.

Vahendid:

1. Laineline plastmassist toru (l=1,5m; d=4cm)

Protseduur:

1. Hoia plastiktoru ühest otsast kinni ning keeruta seda oma pea kohal alguses aeglaselt ja siis järjest kiiremini (kuulda on erinevaid toone).

2. Rebi paberist väikesed tükid ning pane nad laua nurgale ühte kuhja. Hoia toru ühte otsa selle paberite kuhja juures ja teise käega keeruta toru teist otsa (paberitükid lendavad laiali).

Mis tekitas selle heli?
Miks hääletoon kõrgemaks muutus, kui toru kiiremini liigutada?
Miks jäi noot helikõrguses vahele? Kuidas nimetatakse järgmist kõrgemat tooni?
Millises suunas õhk torus liigub?

Selgitus Õhk liigub toru paigalolevast otsast pöörleva otsa suunas, sest õhk, mis liigub mööda liikuvat otsa, vähendab õhurõhku (Bernoulli printsiip). Kuna õhk liigub mööda toru laineid, hakkab see ostsilleerima. Toru pikkus määrab ostsileerimise sagedused ja sellega ka hääletooni. Mida kiiremini õhk torus liigub, seda lihtsamini tekivad kõrgema sagedusega harmooniad ning seetõttu tekivad kõrgemad harmoonilised toonid. Helikõrgus on määratud pöörleva toru pikkusega. Mida lühem toru, seda kõrgem helikõrgus. Vähese harjutamisega on võimalik liikuva toru tekitavat häält ise kerge järgi teha.

12.17 Kahe tooniga heli

Kinnise ja lahtise otsaga toru kõlab erineval kõrgusel.

Vahendid:

1. Paindumatust plastikust või vasest toru (d=8cm, l=50cm)

Protseduur:

1. Hoia parema käega vertikaalsest torust kinni ning löö toru otsa vasaku käe peopesaga. Tekib mingi kindel toon.

2. Nüüd löö vasaku käe peopesaga vastu toru otsa ning eemalda käsi torult kohe pärast löömist. See on nagu torule hästi õrnalt löömine. Tekib mingi teine kindel toon.

3. Löö torule vahelduvalt kahel kirjeldatud viisil ning lase õpilastel kahte tooni eristada.

Kuidas tekkis torus heli?
Kumb kahest toonist on kõrgema helikõrgusega?
Kuidas sõltuvad üksteisest kaks tooni?
Millist tüüpi laineid me tekitasime, kui me torule lõime?

Selgitus Torule löömisega tekib torus õhu vibratsioon, mis tekitab tooni. Kui peopesa pärast lööki torule jätta, siis tekib laine toru suletud otsas ning tekib madalam toon. Kui peopesa pärast lööki torust eemaldada, tekib oktaavi võrra kõrgem toon. Seda saab illustreerida hoides lühikest vedru ülemisest otsast (suletud otsaga laine) või vedru keskelt (avatud otsaga laine) kinni ning liigutades vedru ülemist otsa kiiremini.

12.18 Mõõda helikiirust

Nööri, palli ja puupulkadega saab määrata heli kiirust. Jah, ruum peab olema suur.

Vahendid:

1. Kerge värvitud pall
2. Nöör
3. Pikk mõõdulint

Protseduur:

1. Tee värvitud pallist ja nöörist pendel nii, et ta võnguks perioodiga 1 sekund (nööri pikkust muutes).

2. Vii klass õue suurele platsile (see peaks olema 170-180 m pikk), kinnita pendel horisontaalsele torule või puuoksale ning lase ühel õpilasel kahte puupulka kokku lüüa, kui pendel jõuab kõige kõrgemasse punkti.

3. Lase teisel õpilasel seista pendli juures, et hoida pendlit võnkumas (andes sellele hoogu juurde).

4. Kui pulkade löömine ja pendli võnkumine on sünkroniseeritud, lase ülejäänud õpilastel pendlist kaugemale liikuda samal ajal pendlit jälgides ning puupulkade kokkulöömist kuulates (varsti hääl ja võnkumine ei lange enam kokku, edasi liikudes varsti jälle langeb).

5. Lõpeta liikumine, kui pendli võnkumine ja heli langevad kokku. Mõõda vahemaa endast kuni pendlini.

Miks jäi heli pendli võnkumisest maha?
Miks heli pendli võnkumisega taas sünkroniseerus?
Kuidas me saame antud andmetega leida helikiiruse?

Selgitus Kuna pendli võnkumise periood on 1 sekund ning puupulkade kokkulöömine toimus kõrgeimates asendites, siis kokkulöömiste vahe oli pool sekundit. Kaugus jälgijast pendlini jagatud ajaga annab heli levimise kiiruse (umbes 340 m/s).

12.19 Kaja kiiruse kalkulaator

Kas kaja on kuulda, kui seina läheduses kaht puupulka üksteise vastu lüüa? Kaja kuulmiseks peab minema teatud kauguseni seinast?

Vahendid:

1. Kaks puupulka
2. Suur plats õues
3. Vertikaalne tasane pind

Protseduur:

1. Vii klass õue kooli külje juurde või kooli taha.

2. Alusta umbes 20 m kaugusel seinast (vaadates seina poole) ning liigu aeglaselt tahapoole samal ajal puupulki kokku lüües.

3. Kui puupulkade kokkulöömisest tekib kaja, jää seisma ning kontrolli, kas kaja on kuulda.

4. Kui kaja on tõesti kuulda, mõõda vahemaa jälgijast seinani.

Kuidas saab selles katses mõõta heli levimise kiirust?
Kas me võiksime alustada katset seinast kaugemas punktis ning seinale lähenedes?
Mis sa arvad, miks me ei kuule kaja, kui me oleme seinale liiga lähedal?

Selgitus Minimaalne ajaintervall, mida inimese kõrv tuvastab kahe puupulga löömise vahel, on 0,1 sekundit. Kui see intervall löömise ja kaja vahel on väiksem kui 0,1 sekundit, siis me ei kuule kaja. Seetõttu pole kaja kuulda, kui me seisame seinale liiga lähedal. Aeglaselt tagurpidi seinast eemale liikudes on mingil hetkel kaja kuulda. Sellel hetkel tuli kaja tagasi 0,1 sekundi pärast. Kui mõõta vahemaa jälgijast seinani (umbes 17 m), siis saab heli levimise kiiruse arvutada mõõdetud vahemaa (2*17 m = 34 m) jagamisel ajaga (0,1 s), mis võrdub 340 m/s. Kui heli levimise kiirus on juba teada, saab leida hinnangulise kauguse, mis tekitab välk, kui lugeda sekundeid välgulöömise hetkest selle heli tekkimiseni.

12.20 Elliptiline ime

Kuidas saab nööri ja kahe toetuspunktiga ellipsi joonistada.

Vahendid:

1. Kaks knopkat, pliiats ja v?ike kuul
2. Paks niit
3. Sile laud või suur papitükk
4. Voolimissavi
5. Pikk 3 cm laiune papist riba

Protseduur:

1. Vajuta kaks knopkat üksteisest umbes 30 cm kaugusele papitüki sisse (see vahemaa võib olla suurem sõltuvalt papitüki suurusest).

2. Tee nöörist kinnine ring, kus ringi ümbermõõt on umbes 5-10 cm pikem kui kahekordne knopkadevaheline vahemaa.

3. Hoia seda nööriringi knopkade ja pliiatsi vahel pingul ning kujuta pliiatsiga papitükile ideaalne ellips.

4. Ehita papist ribast ja voolimissavist ellipsile sein pannes savitükke riba ja papitüki vahele.

5. Pane väike kuul ühest kohast, kus oli knopka, suvalises suunas veerema. Millises suunas ta tagasi põrkub?

Miks põrkub kuul alati tagasi teise knopka suunas?
Mis punktid on ellipsis knopkad?
Kui suure ellipsi saab nii teha?
Kuidas põrkuksid heli ja valguse lained elliptiliselt seinalt?

Selgitus Põhjus, miks nii tekib ideaalne ellips, on see, et kahe raadiuse summa jääb alati samaks. Teine ellipsi omadus on see, et langemisnurk on ühe raadiuse jaoks sama mis teise raadiuse peegeldusnurk. Seetõttu on võimalik, et ellipsi fookuspunktis vaikselt räägitud sõnad on teises fookuspunktis väga hästi kuulda, kuigi vahemaa fookuspunktide vahel võib olla üsna suur.