Два смартфона и рулетка: это все, что нужно для точного измерения скорости звука

Есть лишь несколько компонентов смартфона, которые интересуют рядового пользователя, и список обычно начинается с процессора, аккумулятора и экрана. Тогда как о нишевых сенсорах вроде гироскопа или датчика приближения почти никто не думает, они являются одними из важнейших частей устройства.

Именно они обеспечивают ключевые функции, которых вы даже не замечаете, — например, автоматический поворот экрана или затемнение дисплея, когда вы прижимаете телефон к уху во время звонка. Сенсоры смартфона — это скрытые инструменты, которыми можно пользоваться для решения повседневных задач или проведения реальных экспериментов. Сторонние приложения вроде Physics Toolbox или Phyphox раскрывают эти инструменты, позволяя использовать их по своему усмотрению.

MakeUseOf проверили это — и доказали, что смартфон способен использовать гидролокатор (сонар) — да, тот самый сонар — чтобы определять расстояние до объектов с помощью скорости звука. При наличии двух телефонов можно даже измерить, как быстро распространяются звуковые волны, — с помощью инструмента Acoustic Stopwatch в Phyphox.

И сонар, и Acoustic Stopwatch доступны в приложении Phyphox абсолютно бесплатно. Phyphox позволяет использовать аппаратные сенсоры смартфона для реальных физических экспериментов. Приложение разработано во 2-м Институте физики A при RWTH Aachen University. Оно поддерживает работу с акселерометром, магнетометром, гироскопом, датчиком давления, микрофоном, датчиком приближения и GPS.

Сонар для измерения расстояния

Sonar расшифровывается как «звуковая навигация и дальномер» (sound navigation and ranging); он работает, посылая короткие звуковые импульсы, которые затем отражаются от физического объекта в вашем окружении. Поскольку известно, что скорость звука составляет примерно 340 метров в секунду, можно оценить расстояние до объекта, измерив время, необходимое для возвращения отраженного звука.

В вашем телефоне есть динамик и микрофон, поэтому он может излучать «сигнал», который затем отражается от поверхностей в окружающей среде и фиксируется микрофоном после возвращения. Время, которое для этого требуется, умноженное на скорость звука и деленное на два, указывает на расстояние до объекта.

Для лучших результатов нужна контролируемая среда. Если просто воспользоваться смартфоном в обычной комнате, излучаемые сигналы будут отражаться от каждой близко расположенной поверхности, что даст несовершенный результат.

Нужно как можно меньше окружающего шума, и создать такую среду можно, соорудив экран для блокировки нежелательных отражений. Самодельный экран из подручных материалов может включать пенопластовую упаковку, подушки с дивана или одежду.
Наконец, нужен отражающий объект — например, тарелка — направленный в сторону динамика и микрофона телефона. С помощью экрана окружите телефон со всех сторон, кроме той, что обращена к отражателю.

Затем откройте приложение Phyphox и запустите эксперимент Sonar. Разместите телефон в самодельном экране так, чтобы приложение фиксировало только те эхо и отражения, которые вы хотите записать. На графике расстояния в режиме реального времени будут появляться пики по мере того, как приложение излучает сигналы.

Приложение выполняет вычисления самостоятельно, представляя результат в в виде графика расстояния, а не графика времени. Можно перемещать отражающий объект ближе или дальше и наблюдать, как приложение вычисляет различные расстояния в нескольких тестах.

Попробуйте акустический секундомер для измерения звука

Чтобы измерить точную скорость звука, нужно воспользоваться функцией Acoustic Stopwatch в Phyphox. По сути, она работает с двумя телефонами и рулеткой для точного определения скорости звуковых волн.

Acoustic Stopwatch запускается, когда фиксирует достаточно громкий звук, и останавливается, когда обнаруживает второй звук аналогичной громкости. Итак, разместите два телефона на определенном расстоянии друг от друга и измерьте точно, как далеко они находятся.

Затем запустите тест Acoustic Stopwatch. Убедитесь, что окружающий шум не запускает и не останавливает секундомер случайно — для этого повысьте уровень порога звука. Когда фоновый шум перестанет запускать секундомер, начинайте тест. Поставьте по одному человеку возле каждого телефона и хлопайте по очереди. Первый хлопок запустит оба секундомера, а второй — остановит их.

Хитрость заключается в том, что первый хлопок запустит первый телефон раньше второго, а второй хлопок остановит второй телефон раньше первого. На двух телефонах будут два разных измеренных времени. Задержка между каждым телефоном можно вычислить, разделив расстояние между телефонами на скорость звука.

Используя это значение, можно умножить расстояние между телефонами на два и разделить результат на только что вычисленную задержку. Это даст точную скорость звука.
Это остроумный математически-физический эксперимент, для которого нужны только два телефона и рулетка. Если что-то непонятно, рекомендую посмотреть видео Phyphox на YouTube выше. Команда, стоящая за бесплатным приложением, очень хорошо демонстрирует, как все это работает в реальных тестах.

Что еще можно делать с аппаратными сенсорами?

Попробовав эти тесты самостоятельно, вы наглядно убедитесь, как смартфон (или два) можно использовать для измерения расстояния до объектов и вычисления скорости звука. Это действительно захватывающая демонстрация, ведь большинство из нас представляет исследование глубин океана, когда думает о сонаре.

Да, ваш смартфон тоже может использовать сонар — хотя получить точный результат может быть непросто. А с помощью Acoustic Stopwatch можно измерить время между двумя акустическими событиями и вычислить скорость звука по полученному результату.

Эти возможности Phyphox — только начало. С помощью приложения можно также экспериментировать с сенсорами смартфона: освещенности, приближения, гироскопом, магнетометром и многими другими. Он абсолютно бесплатный и позволяет использовать сенсоры, о существовании которых вы даже не подозревали.

Источник: MakeUseOf