Бутылка свистит, когда струя воздуха проходит поперёк края горлышка и заставляет воздух внутри сосуда колебаться. Быстрые завихрения у кромки толкают воздушную пробку в узком горле, а полость бутылки работает как пружина. Вместе они создают устойчивый тон. Высота звука зависит прежде всего от объёма воздушной полости, формы и размера горлышка, поэтому пустая и частично наполненная бутылки звучат по-разному.
Что делает воздушная струя
Если просто направить слабый поток вниз в отверстие, ясного свиста может не быть. Для звучания нужно провести струю над краем так, чтобы одна её часть шла снаружи, а другая возмущала воздух у входа. На кромке поток срывается, образуя вихри и небольшие колебания давления. Они периодически толкают воздух в горлышке внутрь и наружу.
В бутылке одновременно движутся два связанных элемента. Воздух в горлышке действует примерно как небольшая масса, которую можно перемещать, а газ в основном объёме сжимается и разрежается, словно упругая подушка. Такой резонатор называют резонатором Гельмгольца. Похожий принцип используют некоторые музыкальные инструменты и акустические устройства.
Край бутылки важен потому, что он помогает возбудить колебания. Если менять угол или расстояние струи, можно сделать звук громче, слабее или совсем прекратить его. Но тон задаётся не только губами и силой выдоха: геометрия бутылки определяет, на какой частоте воздушная полость охотнее всего вибрирует.
Почему одна бутылка звучит низко, а другая высоко
Чем больше объём воздуха в бутылке, тем ниже обычно её резонансная частота. Воздушной пробке в горлышке приходится раскачивать более объёмную полость, а давление в ней меняется медленнее. Узкий или длинный канал тоже влияет на колебание, потому что изменяет массу воздуха, которая движется в горлышке.
Если налить в бутылку воду, объём воздушной полости уменьшится. Уменьшенная полость обычно даёт более высокий тон. Это легко проверить: сравнить звук пустого сосуда и того же сосуда с небольшим количеством воды. Изменение уровня меняет частоту постепенно, поэтому несколько бутылок с разным количеством жидкости могут звучать как ряд нот.
Форма сосуда также имеет значение. Две бутылки одинаковой вместимости могут иметь разные горлышки, плечики и внутреннюю ширину. У них будет различаться резонанс и то, насколько легко вызвать свист. Поэтому нельзя по одному объёму точно предсказать звук, не учитывая отверстие и длину узкой части.
Откуда берётся чистый тон
Случайный шум от турбулентного потока содержит множество частот. Но если рядом находится резонирующая полость, она усиливает колебания около собственной частоты. Воздух в горлышке начинает двигаться синхроннее, и шум приобретает слышимую высоту. Чем устойчивее поток и удачнее он попадает на край, тем яснее тон.
Эта связь напоминает качели. Их можно толкать нерегулярно, но если толчки повторяются в нужном ритме, раскачивание усиливается. Бутылка сама не «производит ноту» как электронное устройство; её полость выбирает частоту, на которой проще поддерживать колебания воздуха. Поток даёт энергию, а резонанс организует звук.
На университетских демонстрациях физики меняют объём воздуха в бутылке и измеряют, как меняется частота. Это показывает, что музыкальный эффект можно объяснить параметрами системы, а не особым свойством стекла. Стекло лишь удерживает воздух и задаёт геометрию сосуда. Похожим образом объём резонирующей полости влияет на звук бокала, о котором рассказывает статья «Почему бокал меняет тон, когда в него наливают воду?».
Бутылка и свистящая игрушка звучат по-разному
При сжатии резиновой игрушки воздух тоже проходит через узкое отверстие и может вызывать колебания. Однако механизм часто включает гибкий язычок или клапан, который периодически перекрывает поток. В бутылке основной резонанс создаётся воздухом в полости и в горлышке. Оба звука могут восприниматься как свист, но источник колебаний устроен по-разному.
Если пластиковая или резиновая деталь гибкая, её механическая вибрация добавляется к движению воздуха. У бутылки стенки обычно жёсткие и почти не меняют форму при обычном выдохе. Поэтому её тон сильнее зависит от воздушного объёма, а игрушечный писк может меняться от силы сжатия и состояния клапана. Разницу между такими источниками звука показывает материал «Почему резиновая игрушка пищит, когда её сжимают?».
Как повторить опыт
Для опыта достаточно чистой пустой бутылки с целым краем. Поднесите губы близко к отверстию и направьте ровный поток поперёк его кромки, как будто пытаетесь тихо подуть на горячий напиток. Если звука нет, измените угол и расстояние, а не увеличивайте выдох до головокружения. Затем налейте немного воды и повторите попытку, сравнивая высоту тона.
Важно не использовать бутылку с острым сколом и не дуть в сосуд с остатками неизвестной жидкости. Нельзя дуть через горлышко в сторону лица другого человека: из бутылки могут вылететь капли. Тон также может быть тихим или отсутствовать из-за формы сосуда, поэтому неудачный опыт не опровергает резонанс.
Когда бутылка свистит, воздушные завихрения у края возбуждают колебания узкого столба воздуха, а полость сосуда усиливает одну частоту. Размеры бутылки и количество воды меняют этот резонанс. Так обычное горлышко превращает поток дыхания в заметный музыкальный звук.
Почему не каждый выдох даёт свист
Слишком медленная струя может не создать достаточно сильных вихрей, а слишком сильная становится нестабильной и превращается в шум. Имеет значение и то, попадает ли поток на нужную часть кромки. Поэтому несколько небольших изменений положения губ часто важнее, чем более мощный выдох. У разных сосудов чувствительность к потоку различается, и некоторые бутылки легче «запустить», чем другие.
Если бутылка закрыта крышкой или заткнута предметом, воздушная полость уже не сообщается со струёй, и знакомый свист обычно исчезает. Если отверстие очень широкое или необычно короткое, резонанс может быть слабым. Тон также зависит от того, насколько пуст сосуд: налитая жидкость уменьшает объём воздуха и меняет частоту, как показывают опыты с музыкальными бутылками.
Это простой пример акустики, где слышимый результат зависит от невидимых движений воздуха. Он показывает, что звук возникает не только при ударе по предмету или колебании струны. Иногда достаточно направить поток над краем полости подходящей формы, чтобы окружающий воздух начал колебаться регулярно.
