Масса воздуха и воздушная пружина
У бутылки есть полость и сравнительно узкое горлышко. Небольшой объём воздуха в горлышке можно представить как движущуюся массу. Воздух внутри бутылки при сжатии повышает давление, а при расширении понижает его, поэтому играет роль упругой пружины. Если воздушная масса смещается внутрь, давление возвращает её наружу; по инерции она проходит положение равновесия, и цикл повторяется.
Почему возникает собственная частота
Масса и упругость задают системе собственную частоту. Внешний звук содержит чередующиеся области повышенного и пониженного давления. Когда его частота близка к собственной, каждый следующий толчок приходит в подходящей фазе и поддерживает колебание. Амплитуда воздушного потока через горлышко возрастает, хотя сама бутылка и воздух по-прежнему теряют энергию на вязкость, турбулентность и излучение звука.
Что мы слышим, когда дуем на бутылку
Струя над кромкой горлышка возбуждает колебание воздуха. Она не просто отражается от дна, а периодически передаёт энергию системе «воздушная масса — упругий объём». Поэтому бутылка издаёт устойчивый низкий тон. Подобный принцип работает в некоторых свистках, корпусах музыкальных инструментов и фазоинверторных акустических системах, хотя реальные конструкции сложнее идеальной модели.
Где простая модель перестаёт быть точной
Расчёт предполагает жёсткие стенки, небольшую амплитуду и длину звуковой волны намного больше размеров сосуда. У пластиковой бутылки стенки могут заметно деформироваться, а при сильном возбуждении поток у горлышка становится нелинейным и вихревым. Поэтому формула хорошо объясняет направление изменений, но точную частоту конкретной ёмкости лучше проверять измерением.
Видео опыта
Исходный эксперимент и его ход можно посмотреть в ролике канала «Наука в Действии».