Есть такие интересные явления, которые сопровождают человечество очень давно, и, несмотря на это, всё ещё представляют собой значительный интерес, где одно из таких явлений представляет собой обычный кнут, а точнее, звук, производимый с его помощью…
Доподлинно неизвестно, когда появился в истории человечества первый кнут, однако, по некоторым свидетельствам, корни этого изобретения уходят ещё в глубокую древность, где похожие на кнуты плетёные изделия, встречаются даже уже в Древнем Египте.
Предположительно, первое появление кнутов связано с приручением человечеством животных, что потребовало их соответствующим образом направлять, погонять, результатом чего и стала долгая эволюция подобных устройств, которая заняла, предположительно, несколько тысячелетий, пройдя развитие от обычной палки погонщика — до известной нам сегодня формы: рукоятки, соединённой с длинным гибкой плетью или лентой*, сужающейся (желательно) к концу и ниже показана одна из возможных версий (не единственно возможная):
*Я не зря сказал про ленту, так как в детстве, пришлось достаточно много видеть пастухов (жил в полусельской местности) и, одним из самых популярных видов кнута являлся сделанный из отрезанной тонкой полосы (2-3 см шириной) сельскохозяйственных конвейерных лент — от элеватора, разнообразных сеялок, комбайнов и т.д и т.п.
Штука доступная всем, и поэтому была широко распространена; а ввиду достаточных прочностных качеств, чуть ли не «переходила от отца — к сыну, от сына — к внуку» :-)))
Ну, а что вы хотели: в основе своей такой кнут делался из синтетических лент, залитых резиной и поэтому служила такая штука весьма долго…
Кстати, забавный факт: этот кнут являлся своего рода «доступным средством выпендриться» у сельских жителей (по крайней мере, на тот момент, и примерно моего возраста, 12-17 лет) — длина кнута, с которым мог управляться его владелец, напрямую говорила о его «крутости», поэтому, логично ожидать (и это подтверждалось самой жизнью), что у самых маленьких пастухов были самые длинные кнуты, чуть ли не по 10 метров длиной! :-)
Таким образом, здесь наглядно можно видеть, что принцип «необходимо и достаточно» касательно длины кнута, никак не работал — только длина решала, «кто ты есть» :-)
Впрочем, в их защиту можно сказать, что это свойственно всему человечеству — меряться чем-то длинным…:-D
Сразу вспоминаются мексиканские молодые люди, с их знаменитой обувью (гуарачеро, botas tribaleras, botas picudas):
Однако, это мы немножко отвлеклись от темы… В истории человечества, кнут использовался не только погонщиками животных, чтобы с помощью шума или боли направлять их, но, и для целенаправленных наказаний одних людей другими.*
*По мнению городского жителя, наверняка, кнут воспринимается, как нечто безобидное: «да ерунда какая-то, хлопает вроде ещё» — но это вовсе не так, так как кнут, на самом деле, применяющийся знатоком, это страшная штука: в детстве, мне приходилось видеть, как одним единственным ударом кнута, по спине, джинсовая куртка была разрезана как ножом, от плеча до пояса! О_о
Поэтому, когда в фильмах показывают покрытую разрезами спину, некоего человека, истязаемого кнутом, это вовсе не художественное преувеличение!
Как подсказывает нам интернет, из истории нам известно: знаток во время таких экзекуций мог бить так, чтобы с одного удара рассекать кожу и ткани до кости, или перебивать позвоночник!
Размеры всего устройства в целом бывают разными, однако, в среднем, принято считать, что длина рукоятки кнута должна находиться в пределах порядка 30 см, тогда как сама длинная гибкая плеть должна находиться в пределах от одного до нескольких метров (около 6-7), где существует зависимость между длиной плети и издаваемым звуком — тем самым резким щелчком или хлопком кнута.
Есть любопытный труд одного из авторов, который исследовал кнуты, и как их делать самым оптимальным образом, кому интересно, называется так (можете поискать): «Whips and whipmaking, with a practical introduction to braiding» — David W.Morgan.
При этом, как нетрудно догадаться, длина кнута напрямую связана с его применением и, чем короче кнут, тем проще с ним обращаться, и, кроме того, он требует «меньшего профессионализма» скажем так — поэтому, на практике, некое среднее значение, в районе 4 м работает лучше всего: с ним всё ещё относительно просто обращаться и он уверенно создаёт громкий звук.
При этом, из всех свойств кнута, нам интересно именно это: а за счёт чего он, собственно, издаёт такой звук и, в широком смысле, обладает описанной выше мощью?
Здесь следует отметить ключевой момент: выше мы видели, что типичный кнут представляет собой длинную плеть, постоянно сужающуюся концу от своего основания около рукоятки. И подобное устройство представляет собой … своеобразный гибкий редуктор или, если хотите, рычаг!
А именно: когда человек взмахивает рукой, этот взмах, относительно медленный, запускает по гибкой части кнута бегущую волну, которая, за счёт того что происходит постоянное сужение к кончику — начинает ускоряться, где движущей силой ускорения является то, что в основании волны всегда находится большая масса, чем в самой волне, таким образом, большая предыдущая масса постоянно давит на относительно меньшую массу текущей волны, как бы трансформируясь в скорость движения этой текущей волны (т.е происходит сохранение импульса), где скорость кончика кнута возрастает в конце концов настолько кардинально, что становится сверхзвуковой!
Таким образом, когда мы слышим хлопок кнута — это не что иное, как преодоление звукового барьера, сопровождающееся «звуковым ударом», где за счёт повышения суммарной амплитуды, суммарной волны происходит увеличение давления во фронте, распространяющемся от движущегося объекта в виде конуса (на рисунке ниже показан под номером 3; соответственно, под номером 1 — как выглядит движение со скоростью меньше скорости звука, а под номером 2 — со скоростью звука), где достигающий уха слушателя конусный фронт воспринимается как резкий скачок давления или «хлопок»:
Занятно, что тот же самый эффект и может быть воспроизведён и с гораздо более банальными предметами (и это многократно получалось и у автора статьи) — например, известный хлопок мокрым полотенцем, когда им взмахивают на манер кнута: при этом наблюдаются сходные явления, что и при хлопке кнутом, однако, из-за большой площади, не оптимальной формы и объёма звук получается не настолько резким и не настолько громким, которого может достичь более оптимальное «устройство». :-)
Видя относительно высокотехнологичные слова наподобие «звукового барьера», возникает мысль, что исследования, обнаружившие сверхзвуковой характер явлений кнута относятся к относительно недавнему времени, и это будет ошибкой — одно из самых известных и, наверное, самых ранних исследований этого вопроса относится ещё к 1920 годам, когда французский исследователь Z.Carrière достаточно оригинальным образом изучил этот вопрос, и опубликовал результаты своего исследования в 1927 году, в журнале «Journal de Physique et le Radium», где в своей статье «Le claquement du fouet» («Щелчок(хлопок) кнута») он изложил свою методику и результаты, выглядевшие следующим образом…
Интересующиеся могут найти копию оригинальной статьи Z.Carrière вот здесь.
Для начала, приведу пару картинок из этой статьи, с соответствующими пояснениями, которые будут ниже (картинки можно увеличить, кликнув на них):
Целью проводимого эксперимента Z.Carrière поставил выяснить, действительно ли подозрение о сверхзвуковом характере движения кончика кнута является правдой?
Суть эксперимента заключалась в следующем: исследователь построил установку из фотокамеры, установленной в тёмной комнате, с постоянно открытым затвором, перед которой установил систему, где, в нужный момент, он отпускал рукой деревянную доску, которая начинала падать, в ходе падения поочерёдно включая своим выступом несколько включателей, запускающих падение шарика, скоростную вспышку разрядника и спуск кнута соответственно.
Источником энергии кнута являлась резиновая лента (31 см длиной), которая привязывалась к кнуту, после чего, вся система натягивалась, а сам кончик кнута, содержащий небольшой узелок, зажимался в специальный вилочке, удерживаемый электромагнитом (после отпускания электромагнита, вилочка проворачивалась в своей оси, высвобождая узелок кнута, который устремлялся вверх). Лента позволяла создавать усилие более чем в 2 кг.
Кнут был представлен куском обычной верёвки, длиной порядка 110 см, с узелком на конце (для фиксации его в электромагнитном устройстве удержания).
Шарик в этой системе был нужен для довольно остроумной идеи, которая заключалась в отсчёте времени: во время своего падения он создавал на фотографии размазанную тень, где, по её протяжённости (так как ускорение свободного падения нам известно), можно было определить, сколько прошло времени.
Вспышки были нужны, чтобы вы фиксировать через определённые промежутки времени — разные положения кнута. Так как затвор камеры был открыт постоянно, то поэтому, на одном и том же снимке получалось несколько фиксированных положений кнута, а также след от падающего шарика в качестве отсчёта времени.
Источником питания для вспышек являлась электрофорная машина с лейденскими банками.
Фотосъёмка велась шлирен-методом, позволяющим запечатлеть не только разные фазы движения кнута, но и изменения плотности воздуха.
Копии оригиналов получившихся фотографий вы можете посмотреть по ссылке выше, в статье Z.Carrière.
Всё работало хорошо, однако, на практике выявилась проблема: в самом конце, где кончик кнута набирал максимальную скорость — интервалы между вспышками были слишком большими, чтобы уверенно понять его скорость.
Поэтому, было сделано дополнительное улучшение: на самом конце, когда скорость кнута максимальна, были установлены два быстро вращающихся деревянных диска, установленных под теми же углами, под которыми происходит движение взлетающего и падающего кончика кнута.
Диски были покрыты сажей, и основная идея заключалась в том, что раз не удаётся поймать положение кончика кнута с помощью фотовспышки, то пускай сам кончик нарисует на этих закопчённых дисках некоторую линию, по наклону которой (зная скорость вращения дисков), можно будет определить и скорость движения кончика!*
*Если бы во время удара по диску, он был бы неподвижен, то остался бы перпендикулярный плоскости диска след, но, так как диск вращается и скорость его вращения известна, то, по наклону линии на каждом конкретном диске, можно будет понять скорость движения кончика кнута в этот момент.
Таким образом, практически было выявлено, что среднее значение измеренной скорости «составляет и превышает» порядка 350 м/с, причём, на картинке выше, где показаны разные фазы движения кончика кнута, на самом верху треугольника показана условная точка О, про которую он пишет, что в близости к этой точке скорость кончика «безусловно превышает 370 м/с, даже при умеренном натяжении резины».
Он был не единственным исследователем, так как тема довольно интересная и после него ещё много было желающих погрузиться в этот вопрос…Однако, он явился первооткрывателем самого факта сверхзвуковых явлений при хлопке кнута.
Причём некоторые учёные, исследующие древних животных, приходят к мнению, что апатозавры имеющие достаточно длинный хвост (около 15 м), в теории, могли хлопать им с такой силой, что звук по громкости* должен был быть похожим на выстрел из корабельного орудия (так показало компьютерное моделирование):
*К слову: по некоторым оценкам, хлопок обычного кнута, по громкости примерно равен выстрелу из пистолета.
Косвенно, на это намекает существенное утончение к концу хвоста, где сам кончик представлен сросшимися позвонками, потенциально постоянно преодолевавшими звуковой барьер, и, в результате эволюции, существенно укрепившиеся для противостояния таким нагрузкам (но, это только предположение).
Другие же учёные, спорят с ними, говоря о недостаточной прочности хвоста для противостояния таким нагрузкам. Впрочем, динозавров никто не застал «живьём», поэтому, любые теории на этот счёт остаются только теориями… :-)
После ознакомления со всем этим, возникает любопытная мысль, что подобный способ создания сверхгромких звуков, с помощью преодоления звукового барьера видится очень интересным вариантом, который может быть полезным образом использован во множестве применений, а крайняя дешевизна производства звуков таким образом, пожалуй, не имеет равных!
Например, известно такое устройство, как звуковая пушка, где баллон пропана подключен к специальному устройству, где происходит смешение пропана и воздуха в нужной пропорции, после чего смесь поджигается, вызывая громкий выстрелоподобный звук:
Такие установки работают автоматически, как правило, используясь для отпугивания вредных птиц — от аэропортов, сельскохозяйственных посевов.
Но, как нетрудно догадаться, у таких устройств есть слабая сторона: постоянный расход пропана!
Заменив подобные устройства на механические «хлопалки», можно, в теории существенного удешевить весь этот процесс и, сделать его гораздо более управляемым и безопасным одновременно: скажем, похожая на гусеницу танка О-образная лента перематывается, где, на одном или нескольких местах у неё, закреплены длинные болтающиеся отрезки гибких лент, которые при огибании краевых шкивов, громко хлопают!
Видно, что управлять таким устройством чрезвычайно просто: микроконтроллер, драйвер двигателя и поехали — точнейший контроль скорости в широких пределах, удалённое управление, работа по программе и т. д. и т.п. Красота? Красота! :-)
Беглый поиск по существующей базе патентов показывает, что ничего подобного пока не существует :-)
Ещё одно применение: полный имитатор звука выстрела — в различном игрушечном оружии (страйкбольном и т.д.): одиночные выстрелы, очередь и т. д.
В завершение можно сказать, что, если немного поразмыслить, то вы наверняка сможете придумать и ещё множество полезных применений этому любопытному эффекту! ;-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
