Loed toas raamatut, on vaikus, ja äkki hakkab köögis kann vilistama. Selge, aeg teha teed. Ei midagi erakordset – või siiski. Osutub, et füüsikud ei osanud viimased sada aastat seletada, kuidas kannus vile tekib.
19. sajandil anti välja pöördeline tekst Heli Teooria (The Theory of Sound), autoriks Rayleigh’i kolmas parun John William Strutt. Trükises kirjeldatakse muu hulgas ka vilemehhanismi teooriat. Ent teksti lõpuosas väljendab parun ebakindlust:“ Paljuski on ebaselge, mis täpselt auru vibratsioone põhjustab.“
Probleemi lahendas Cambridge’i Ülikooli töörühm, kelle vastava sisuga artikkel avaldati teadusajakirjas The Physics of Fluids.
Neil, kes arvavad, et tegemist on pseudoprobleemiga, pole muretsemiseks põhjust, sest uurimistöö mõju haardub kannuvilest kaugemalegi. Töörühma loodud arvutimudeliga saab kirjeldada näiteks katkise auto summuti ning veetorude vilisemist.
„Sarnaseid müraefekte võib tekkida väga erinevates olukordades. Kõikjal, kus õhk voolab nagu kannuviles,“ ütles Cambridge’i Ülikooli mehaanikateaduste osakonna teadlane ning artikli esiautor Ross Henrywood. „Teades müra põhjuseid, saame selle juba eos välistada.“
Avaldatud artikkel on Hernywoodi neljanda õppeaasta lõputöö ning ühtlasi osa tulevasest insenerikraadist. Henrywoodi juhendaja, aeroakustika professor Anurag Agarwal uuris varem turbiinmootorite müra põhjuseid.
Lisaks vile allikale määratlesid teadlased kaks erinevat mehhanismi, mis häält põhjustavad. Seejuures on küsimus, miks juukseföön ei vilise, põhjendatud.
Kannu vile koosneb kahest lähestikku asetatud paralleelsest plaadist, mis moodustavad kannu tila katvas korgis õõnsuse. Mõlema plaadi keskel on väike auk, millest veeaur läbi läheb.
Töörühm valmistas mitu erinevat lihtsustatud ehitusega kannuvilet. Neid katsetati rakises, mis puhus viledest läbi erineva kiirusega õhujoad. Tekkinud heli salvestati.
Helikatketest eraldati sagedus ning amplituud, mida analüüsiti dimensioonivabade meetoditega (käsitlevad andmeid suurustena, millel ei ole ühikuid). Andmestikust otsiti korduvusi ehk trende. Lõppeks mõõdeti heli sagedus ka kannu tilas. Selleks kasutati kahe mikrofoni meetodit (loe lisa siit)
Tulemuste analüüs näitas, et heli tekib välimise vileava juures väikestest turbulentsetest gaasikeeristest.
Et aur on väliskeskkonnast kõrgema rõhuga, surub see ennast laiast tila avast kitsamasse vilemehhanismi auku. Aurujuga surutakse kokku ning see hakkab koolist tuttava vedelike voolamise pidevuse teoreemi alusel kiiremini liikuma. Suure kiiruse ning soojusliikumise tõttu on auru juga ebastabiilne. Pärast esimese vileava läbimist hakkab joa ristlõige muutuma, tekivad esimesed turbulentsed keerised.
Keerised ei liigu otse teise vileava suunas, vaid tabavad ava plaati. Need tabamused põhjustavad omakorda kambri sees rõhuimpulsse, mis levivad lõppeks kannust välja jõudnud auruni ning põhjustavad selles omakorda väikseid keeriseid. Nende keeriste tekitatud heli me kuulemegi.
Keedukannu vile sarnaneb ehituslikult levinud vilemehhanismidega, näiteks flöödi ja oreliviledega. Nendes instrumentides määrab heli sageduse õhusamba pikkus. Vilekannu signaali sageduse määrab plaatidevaheline ruum ning kannu tila pikkus. Mida pikem on tila, seda madalam heli.
Henrywood ja Anurag leidsid töö käigus üllatuslikult, et kann hakkas vilistama juba hetk enne vee keemist, mil joa kiirus on keemise ajal saavutatavast maksimumist väiksem. Siis ei ole aurujoa vool sedavõrd turbulentne ning osutub, et heli põhjustab hoopis teine mehhanism.
Kaht muusikalist vaatlust eristab sagedus. Esimeses helisignaalis on valdav üks kindel noot.
„Avastasime, et esimese helisignaalil oli üks sagedusmaksimum. Seda me ei oodanud, oli põnev,“ kommenteeris Henrywood. „Lõppeks saime aru, et keemiseelselt töötas kannu vile nagu Helmholtzi resonaator. Sama juhtub siis, kui tühi pudelikael helisema puhuda.“
Üle pudelikaela liikuv õhk põhjustab pudelikaelas, ehk Helmholtzi resonaatoris võnkumise, mille sageduse määrab, jällegi, pudeli õhusamba pikkus. Heli põhjustav võnkumine toimub tegelikult pudelikaelas, ülejäänud pudelis olev õhk käitub otsekui õhkvedruna.
Kannu puhul on õhkvedruks vilemehhanismi sisene õhk. „Kannus puhutakse muidugi aur august läbi, mitte sellest mööda, nagu pudeli puhul. Efekt on sama, mis huultega vilistamisel,“ lisas Henrywood. „Mõnes kannus töötavad mõlemad mehhanismid. Et meie uurimustöö võimaldab uurida mõlemat, saame hääle tekkimise eos välistada, kui selleks peaks vajadus olema.“
Nüüd arendavad Henrywood ning Agarwal vaiksemaid kiire õhujoaga kätekuivateid. Juba on uuritud, kuidas mõjutab kuivatist levivat häält õhujuga suunav koonus.
Allikas: Phys.org
Leave a Reply