Веревочный телефон как работает

Здравствуйте, уважаемые любители науки и техники!

Наверное, вы не раз видели в фильмах или мультфильмах, как герои разговаривали между собой на расстоянии при помощи конструкции из бумажных стаканчиков и натянутой между ними веревки? Давайте проверим работоспособность такого телефона, а заодно и объясним результаты с научной точки зрения.

Прежде чем приступить к изготовлению, немного подкрепим себя знаниями. Это будет полезным и для того, чтобы сделать действительно работоспособную конструкцию, ну и для общего развития, так сказать, будет вовсе не лишним.

Для того чтобы понять, будет ли работать телефон из стаканчиков давайте сначала разберемся с тем, что такое звук и как он распространяется в пространстве.

Согласно энциклопедической справке, звук представляет собой волнообразно распространяющиеся колебания частиц упругой среды. Уже из этого определения мы можем сделать несколько важных для нас выводов.

Во-первых, для распространения звука нам необходимо наличие среды упругих частиц. Так, например, в вакууме частицы отсутствуют, и, значит, звук в нем распространяться не сможет. Не сможет звуковая волна распространяться и в пластичной среде. Упругостью обладают как газообразные среды (например, воздух – поэтому мы и можем слышать звуки), так и жидкие (например, вода), и твердые (например, металл).

Во-вторых, частицы среды при распространении звука приходят в движение, начинают колебаться относительно точки равновесия. При этом в момент смещения частицы образуются области повышенного и пониженного давления. Частица как бы начинает давить на своих соседей.

В-третьих, распространение звука имеет волнообразный характер – частицы среды давят на своих соседей, те в свою очередь на своих и т.д. Такое распространение носит не бесконечный характер.  Давление частиц постепенно снижается, звуковая волна затухает.

Все это легко понять, если представить толпу людей. Если в этой толпе толкнуть одного человека, то он невольно толкнет другого, но потом восстановит равновесие и останется на своем месте. Второй человек толкнет третьего, но уже чуть слабее. Так эти толчки и будут переходить от одного человека к другому, постепенно затихая, и дойдут до последнего человека, если не затихнут раньше.

Всего вышесказанного нам вполне достаточно, чтобы приступить к изготовлению телефона из стаканчиков.

Для этого нам понадобятся:

• Упругая среда. В качестве нее у нас будет выступать веревка, 20-30 метров. Больше брать не стоит, слишком большое будет затухание звуковой волны. При этом веревка должна быть не растягивающаяся.
• Пластиковые или бумажные стаканчики – 2 штуки. Желательно взять стаканчики побольше, тогда можно будет надеяться на вполне качественную передачу звука.
• Спички, скрепки, зубочистки ну или что-то в этом роде для фиксации веревки. Можно обойтись и без этого пункта.

Проделываем в центре дна стакана небольшое отверстие.

Вставляем в это отверстие веревку.

На конце веревки можно завязать толстый узел, а можно привязать спичку или скрепку. Второй способ будет надежнее, т.к. при натяжении веревки узел может проскочить в отверстие.

Внутри стакана это выглядит так:

Эту же самую операцию проделываем и с другим концом веревки.

Телефон готов!

Во время полевых испытаний следите за тем, чтобы нить была хорошо натянута и не касалась никаких препятствий, иначе звуковая волна будет затухать раньше, чем достигнет другого абонента.

Как это работает.

В этой конструкции стаканчик выполняет роль и микрофона, и телефонной трубки. Когда один абонент говорит в «трубку», звуковая волна вызывает упругие колебания воздуха, которые передаются стенкам и дну стакана. Эти колебания, в свою очередь, передаются веревке. Попадая на другую сторону веревки, звуковая волна заставляет колебаться дно и стенки другого стакана. Эти колебания передаются воздушной среде и воспринимаются ухом второго абонента.

Вот так мы с вами доказали работоспособность телефона из стаканчиков, а заодно и изучили такое физическое явление, как распространение звука в упругих средах. Удачи вам в испытаниях. О ваших достижениях буду рад услышать в комментариях к статье.

Верёвочный телефон

В проекте верёвочный телефон Вы узнаете историю голосовой связи, каким образом передаётся звук через другие материалы, научитесь мастерить своими руками.

Вступление

Средства голосовой связи на большое расстояние было востребовано всегда. Конструкции устройств связи за 200 лет претерпели весьма существенные изменения. Изначально устройства связи использовали механический способ передачи голоса. Например, согласно письму в Пекинской Газете, в 968 году в Китае использовалась передача голоса с помощью трубы. Такой способ общения нередко использовался при строительстве трубопроводов.

Для проекта верёвочный телефон нам понадобятся:

• проволока (или капроновая нить);

• пара бумажных стаканов (или коробков из-под спичек или жестяных банок);

• пара спичек;

• ножницы и канцелярский нож.

Мы с вами вернёмся к истокам создания голосовой связи и создадим телефон, в котором звук передаётся с помощью упругих колебаний.

В 1854 г. инженер-телеграфист Шарль Бурсель опубликовал результаты своих исследований по передаче голоса с помощью электричества, впервые использовав в описании слово «телефон».

В 1876 году Александр Белл запатентовал электрический телефон. Этот способ голосовой связи стал самым массовым на долгие годы. И уже в XXI веке был вытеснен беспроводной связью.

Изготовим сначала одну часть телефона. Для этого канцелярским ножом проделаем отверстие в днище стакана, такое, чтобы в него можно было вставить проволоку.

Конец проволоки или капроновой нити, торчащий из дна стакана, нужно намотать на середину спички, чтобы повысить надёжность крепления проволоки. Для этого нужно сделать нескольких витков, и завязать узелок так, чтобы проволока не размоталась и не выскочила из стакана.

То же самое нужно сделать и на втором стакане.

Верёвочный телефон готов!

Если возникли трудности с изготовлением, посмотрите видеоинструкцию

Давайте проведём испытания. Для этого нужно, чтобы каждый из испытателей взял по стакану, и испытатели разошлись в стороны на расстояние, необходимое для натяжения проволоки. После этого можно начинать испытания! Пусть один из испытателей скажет что-нибудь в стакан, а другой слушает из своего стакана. Есть звук?

Попробуйте разную степень натяжения проволоки, только не переусердствуйте, чтобы не разрушить стакан. Если вместо проволоки была использована капроновая нить, попробуйте не натягивать её или прислонить её к какому-нибудь объекту. Есть звук?

Попробуйте положить пальцы на дно стакана, как изменилась слышимость?

Обратили внимание, что по верёвочному телефону можно общаться только по очереди, когда один говорит, то другой только слушает и наоборот? Такой вид связи называется односторонним или полудуплексным.

Если изготовите ещё один верёвочный телефон, то получите возможность одновременно говорить и слушать друг друга. Такой вид связи называется двусторонним или дуплексным.

Зачем нужны стаканчики или коробки?

Как заметили ранее, звук в воздухе распространяется во все стороны, и чем больше звука мы как бы соберём мембраной, тем большую амплитуду колебаний будем передавать по нитке или проволоке.

То же касается и принимающей части, чем больше площадь дна стакана, тем громче будет слышно звук.

Почему же всё-таки нитка или проволока передают звук лучше и дальше, чем мы можем это сделать просто по воздуху?

По причине, что в воздухе звук распространяется во все стороны, теряя свою интенсивность, и до принимающей стороны доходит только малая часть звуковой волны.

По проволоке же, несмотря на затухания колебаний, звук распространяется только в одном направлении. Если на пути звукового сигнала, идущего по нити или проволоке, появится какой-либо объект, то колебания будут переданы объекту, и звук не дойдёт до истинного получателя.

А сейчас разберёмся, как же он работает верёвочный или проволочный телефон.

Наш голос, как и любой другой звук – это колебания воздуха на различных частотах и с различной амплитудой.

Но колебаться и отлично передавать звуковые колебания может не только воздух, но и другие среды, например, просушенная древесина, металлы (поэтому из них изготавливают музыкальные инструменты).

Даже жидкости отлично передают колебания, это используется в эхолокации животными (дельфинами и китами) и человеком с использованием специальных устройств на судах.

Можете провести следующее наблюдение: звук из крохотного динамика телефона, как на фотографии выше, слышно только вблизи, звуком динамика домашней аудиосистемы, как на фотографии ниже, можно озвучить небольшую концертную площадку.

Выводы

Мы с вами познакомились с физическим принципом передачи звука на расстояние, изготовили модель телефона, передающего голос за счёт преобразования колебаний воздуха в колебания твёрдого тела

🔴 Лучший способ понять, как что-то работает — проследить, как до этого додумались исторически. Лучший способ объяснить — дать подержать в руках. Играем с внуком в телефон. Для индукции и волновой природы звука он еще маленький, зато для игры самый подходящий возраст: дорастет до электромагнетизма и акустики — пригодится.  

Для начала хорошо бы сабж пощупать.

Телефон-автомат становится раритетом. Кое-где на улице аппарат еще можно встретить: спешу показать внуку — будет вспоминать «а я еще уличные таксофоны застал!»; мечтаю найти действующий, чтоб хотя бы гудел в трубке.

Сейчас и дома уже мало у кого стационарный сохранился; служебных еще много, в поликлинике, например, можно показать. А подержать в руках — вот только на улице. 

Иначе как рассказать о целой технической эпохе — когда связь велась по проводам.  
🔴
— А зачем? Может это как раз тупиковая ветвь развития техники, занялись бы плотнее радиоволнами еще во времена Фарадея, вместо телеграфа-телефона радиостанцию изобрели, уже бы сто лет как по сотовым говорили!  
— Если бы не сделанные за время развития телефонии сотни открытий, тысячи  наработок в области передачи данных по проводам — где бы были сегодняшние сети! До сих пор по кабелю надежней и экономичней. 

🔴 Как это работает

Я помню страницу учебника с принципиальной схемой устройства: катушка индуктивности, мембрана, угольный порошок в микрофоне меняет сопротивление — с этим понятно, сигнал проходит-не проходит (у меня даже был приборчик «Гравер-электровыжигатель» — граверное жало как раз из катушки «выстреливало» в импульсном режиме). 

Меня озадачивал принципиальный вопрос —  щелчки, свист, гудение, было бы ожидаемо, но как железка говорит человеческим голосом? 

Да не абы каким — узнаваемым, хоть песни пой в трубку. Когда мы знаем, что  речевой аппарат даже у человека — штука тонкая, чуть что не то — и не видать тебе оперной сцены!  («И выковал кузнец железное горло и стал волк тоненьким голоском приговаривать»: вот тоже удивляло —  куда железяке?)

Нас прекрасно слышно! Хотя никакой воздух никуда не проходит.
Как это получается?
— Ладонь, которая держит шарик, чувствует его вибрацию.
Надувной шарик «говорит человеческим голосом»!
Звук  получается немного гулкий — в процессе участвуют обе резиновые «мембраны» (ближняя к нам задняя стенка и передняя)

Накройте заварочный чайник листком бумаги, насыпьте сверху немного соли,  подуйте в носик и посмотрите что будет. — Ничего не будет.
А теперь погудите протяжным долгим «Уууууууу!»
— Кристаллики пляшут на бумаге, выстраиваясь сложным узором!
Можете прикрепить бумагу скотчем, закрыть крышкой и обернуть пленкой — погудев в носик вы все-равно услышите звук. Который в данном случае не передается по воздуху, поскольку воздух из чайника не контактирует с наружным. Вибрируют его стенки.
— Сам чайник  «говорит человеческим голосом»! 

🔴

— А что если… заставить предмет  вибрировать? не с помощью голоса, еще как-нибудь?
(Если внук сразу не догадается, тихонько подсказываем: «брынь-брынь»)
— Он будет петь! или дребезжать, уж как получится. Линейка, зажатая с одного конца, натянутая нитка, струна (детской) гитары. 

— Мы в одном шаге от изобретения телефона, уже знаем как заставить «железное горло» говорить, осталось только передать на него нужные вибрации.

Классический эксперимент со стаканчиком (веревочный телефон):

На спичках закрепляем леску, зубная нить тоже подойдет:

Говорим в первый стаканчик, второй внук подносит к уху. Только отойти нужно настолько, чтоб нитка натянулась как струна. Трубный глас передается от «входной» мембраны к «выходной» по нитке. Если пережать нитку пальцами, мешая колебаниям — эффект исчезает.
🔴
Вывод: Передавать голосовые вибрации можно.
До «разговоров по проводам» осталось пол-шага!

Отступление: 

«У поколения бабушек в детстве не было мобильных, им приходилось пользоваться «телефоном» из спичечных коробков и ниток». — Сообщают малышам  познавательные странички.
— Эффект забавный, но на один раз. Не интересно натягивать нитку по прямой, смысл же в том чтоб «дозвониться» туда, куда просто так не докричишься:   куда-нибудь в укрытие, на другой этаж; понятно, что такая конструкция не работала, мы просто играли в телефонную связь.
С большим удовольствием перестукивались через батареи переговаривались через шланг, трубочки и трубы, где только удавалось их встретить. 

«Самым древним был «верёвочный телефон», известный много веков назад» — уверяют 49 тысяч «развивашек-обучалок».
Чуть боле трёх, веков. Три это куча «много»?
В 1667 году известный физик Роберт Гук обнаружил, что звук хорошо распространяется по туго натянутой бечевке. Это нашло широкое применение, в основном, в детской игрушке — «нитяном телефоне».
Забава наподобие «послушать шум моря в ракушке» — переговариваться по ниточке дальше, чем можно расслышать собеседника обычным образом, в реальной обстановке не получится.
Подергайте натянутую нить — шумы передаются куда лучше голоса!
Можно даже поиграть с шумами: потрите нитку мокрыми пальцами (или мокрой салфеткой) — услышите смешное кудахтанье  

Вот еще интересный опыт: привяжите в середине нитки чайную ложечку,  прижмите стаканчики к ушам и, сидя на краю стула, раскачивайте нитку так, чтобы ложечка ударялась о ножку стула —  услышите густой, певучий — колокольный звон!
Конец отступления

🔴 Как электричество помогает передавать звук по проводам

Что  изобрел Белл? (или не Белл, а один из менее известных предшественников; нас интересует история техники, а не особенности патентного права в США).
Что на тот момент уже было известно физикам, техникам, механикам и что именно требовалось, чтобы всё завертелось?

Разумеется, было известно, что ток течет по проводам, подсоединенных к «вольтовой батарее», гальваническому элементу.
Экспериментаторы увлеченно исследовали индуктивность.
(Опыты с батарейкой  легко показать на подручных материалах и готовые наборы на Али в ассортименте) 

🔴 Врач и по совместительству экспериментатор Чарльз Пейдж интересовался электролечением, опробуя его на себе и однажды заметил, что спиральный проводящий контур, помещенный между полюсами подковообразного магнита при размыкании производит необычный эффект — магнит (по форме тот же камертон) — начинает звучать. Пейдж назвал это гальванической музыкой. Открытие повлекло волну исследований генерации звука электричеством.
(Кст, Белл признавал существенность вклада Пейджа в развитие телефонии).

🔴 Первый прибор, созданный на основе электрозвукового эффекта можно считать прототипом телефона: И.Рейс, учитель математики, акустик, специалист по обучению слабослышащих первым придумал как переводить звуковые колебания в электрический сигнал и обратно. В этом ведь и заключается идея телефонии:

Первый прототип устройства «telephon» (дальноговоритель), построенный в 1860 году, состоял из вырезанного из дерева «уха» с растянутой на нём мембраной, сделанной из свиного мочевого пузыря. К нижней части мембраны был присоединён платиновый электрод, при вибрации размыкавший и замыкавший контур с батареей. Приёмником была катушка из провода, намотанного вокруг вязальной спицы, закреплённой на скрипке. Корпус скрипки усиливал вибрации изменяющей форму спицы, когда она поочерёдно намагничивалась и размагничивалась.

🔴 Мы у цели! 

— Если на воздушный шарик приклеить проводящую металлическую пластинку — она будет колебаться под воздействием звука (вместе со всем шариком). Вблизи (почти впритирочку) нужно расположить контакт, который будет замыкать/размыкать электрическую цепь (проводки идущие к полюсам батарейки), формируя прерывистый сигнал.
Теперь представим, что проводок длинный-длинный,  идет аж в соседнюю комнату и там к нему подключается абонент — разрезает проводок и подсоединяет к проволочной катушке, внутри которой сидит металлический штырь.
Когда цепь замкнута, т.е. по ней идет ток — штырь-сердечник намагничивается и притягивает металлическую пластинку, приклеенную к такому же шарику или просто к мембране — она начинает звучать! «Человеческим голосом!»

Хотя последнюю часть эксперимента мы проделали умозрительно, какой-то след объяснение оставит

🔴 Справочник юного патентоведа:

— Так кто же кто же всё-таки изобрел телефон?
— Никто, или — все вместе. Камертон Пейджа — трудно назвать телефоном, с другой стороны Рейс лишь добавил деталей к принципиальной схеме.

Авторство изобретений — вопрос не однозначный. Зачастую отмечают заслуги создателя лучшего рабочего или наиболее практичного прототипа, а не первооткрывателя.

🔴 С идеей телефонной связи и теоретическими разработками носились — итальянский изобретатель Инноценцо Манцетти (1844г); принцип действия телефона  изложил в своей диссертации в 1854 году Ш. Бурсель; в 1869 году профессор Харьковского  университета Г.Морозов  подал в российское Министерство почт и телеграфов  заявку на способ «Об одновременной передаче нескольких депеш по одной проволоке», получил одобрение, но не финансирование. Способом заинтересовались другие и весьма плодотворно —
английский инженер Кромвель Варли запатентовал «аудиотелеграф», а следом в 1871 году датский инженер Пол ла Кур добился успехов в реальной передаче музыкальных тонов.

🔴 В 1860 г. Антонио Меуччи опубликовал статью в итальянской газете Нью-Йорка, в которой рассказал о своем изобретении. У бедного Меуччи не хватило $250, чтобы оплатить пошлину в Патентном бюро.
11 июня 2002 года Конгресс США в резолюции № 269 признал право изобретения телефона за Антонио Меуччи.

🔴 Многие знают историю, как Белл и его прямой конкурент Грей подали заявку на патент с разницей в несколько часов, Грей даже опередил с подачей, но Белл первым приложил квитанцию об оплате пошлины. (Нет, никто ни у кого не списывал, их работы доступы в архивах, оба пришли к своим результатам независимо, конструктивные особенности предложенных схем отличаются).  Ни тот ни другой на момент регистрации не имели действующего устройства (Белл со товарищи, уже получив патент, еще очень долго бился над передачей членораздельной речи).

Трубка Белла работала по очереди и на прём и на передачу (как у полевых радиостанций «Приём! Отбой!»). В телефоне Белла не было звонка, позже он был изобретён его помощником Т. Ватсоном.
Дальность действия  линии не превышала 500 метров. 

Главная заслуга Белла не в первенстве и не в том, что его прибор был более продвинут по сравнению с гальваническим «ухом» Рейса.
Белл серьезно и упорно трудился над раскруткой телефонной связи, ездил по городам с гастролями, встречался с влиятельными людьми, расписывая перспективы проекта,  даже  обаял английскую королеву.
Как ни покажется сейчас странным — общественность далеко не наперебой ринулась заказывать новую технику. Им и с телеграфом было не плохо — состоятельные люди тогда даже такси телеграммой заказывали, зачем еще что-то? Для успеха предприятия Беллу пришлось постараться.  
(Это как — одно дело  предложить хешмоб, а другое — раскрутить движуху; возможно когда-нибудь из хешмобов вырастет целая соц.сеть, основанная на новых принципах, и кто в будущем сможет представить, что начиналось всё с долгой раскачки, с «нас много, нас может быть трое»=)

Довел до ума прибор только в 1878 году Томас Эдисон, создавший  принципиально новый тип  аппарата, введя в уже готовую схему индукционную катушку, сочетание которой с угольным микрофоном из прессованной сажи позволило существенно улучшить качество связи — тот самый угольный порошок из нашего учебника физики, обеспечивающий «модуляцию». 

🔴 Конечно же всё не так просто! 

Сигнал затухает с расстоянием, искажается. Мое изначальное сомнение «не получатся ли таким способом одни щелчки да шорохи?» было  совершенно справедливым!
Человеческая речь содержат звуки разных тонов, множество обертонов, гармоник придают голосу определенный тембр, по проводнику они передаются с разной скоростью, в следствии чего сигнал размывается — не случайно Беллу не удавалось передать ясную речь дальше, чем на пятьсот метров. 

Для дальней связи понадобилось множество дополнительных технических решений, новых технологий, а еще и немало сурового матана чтобы рассчитать параметры линий передач:

Условие, найденное Хевисайдом, состояло в следующем: надо так подобрать параметры кабеля, чтобы произведение емкости на сопротивление было равно произведению утечки на индуктивность. Тогда сигнал по кабелю будет распространяться без изменения формы.

Старинный таксофон:

Забавно, что среди отдаленных «предшественников» современной проводной связи  упоминают и сигнальные столбы дыма и барабанный бой. Хотя в качестве  аналогии (хромающей, как свойственно всем аналогиям) телеграфа и телефона — больше подходит курьерская доставка. Только по проводам.
А всякие дальнобойные «семафоры» мельничные, башенные, оптические скорее годятся в древние аналоги  радиосвязи. 

Нынешние мобильные аппараты, хотя и по привычке называются «телефонами», скорее наследники радиосвязи, чем телефонии. И, хотя микрофоны современных электронных устройств не содержат никакой угольной крошки, в основе их работы всё тот же исходный принцип — электрические импульсы возбуждают вибрации мембраны. Она и говорит, уже совсем почти не «телефонным» голосом. 

источник — fotovivo 
[7 ссылок 50 комментариев 2600 посещений]
читать полный текст со всеми комментариями