Содержание
- Краткое резюме
- Исходная идея и подготовка эксперимента 💧🎵💡
- Как работает эффект изгиба струи воды? 🔄📸
- Улучшение и расширение системы: Arduino, свет и электронное управление 🔧💡
- Новые визуальные эффекты и оптические явления ✨🌈
- Конструкция и доработка механики ⚙️
- Светодиодная подсветка и управление цветом 🎨💡
- Многоканальные струи и создание «косичек» из воды 💧➰
- Крупномасштабный и 3D-вариант эксперимента 🌐🌀
- Итоги и научная значимость 🎓✨
- Дополнительно: внутренняя съёмка и цветовая палитра 📷🔴🟢🔵
Краткое резюме
- Эксперимент показывает удивительные визуальные эффекты сгиба струи воды, создаваемой аквариумной помпой, под действием механических колебаний.
- Используется динамик с прикреплённой трубкой для создания колебаний струи с регулируемой частотой и формой сигнала.
- Синхронизация колебаний с частотой съёмки камеры создаёт эффект "застывшей" или медленно движущейся струи.
- В дальнейшем эксперимент развивается — добавляется подсветка, управление через ESP32, несколько струй, фазовый сдвиг и даже трёхмерная визуализация.
- Получается эффект объемного «печатания» струями воды в воздухе с использованием светодиодных лент.
- Эксперимент наглядно демонстрирует принципы сложения синусоид и фазовых сдвигов, создавая красивые и сложные визуальные паттерны.
Исходная идея и подготовка эксперимента 💧🎵💡
В основе эксперимента лежит удивительное сходство между водой, звуком и светом — все они обладают волновыми свойствами. Автор взял старую идею из предыдущего ролика и решил довести её до совершенства.
Для опыта понадобилась аквариумная помпа, которая питается от 12 В, насос, ведро воды, а также дополнительные компоненты для управления потоком. Особое внимание уделили тому, чтобы помпа качала воду с самого дна — входной патрубок утяжелили. Для предотвращения брызг использовали марлю, натянутую поверх таза, что выключило разбрызгивание вообще.
Как работает эффект изгиба струи воды? 🔄📸
Если трясти шланг с частотой, превышающей скорость вытекания воды, струя начинает изгибаться и менять форму — эффект напоминает пламя. На видео это плохо заметно, но при помощи фотографий или стоп-кадров с высокой скоростью съёмки эффект проявляется хорошо.
Для автоматизации колебаний трубу закрепляют на диффузоре низкочастотного динамика. Подавая на динамик синусоидальный сигнал, динамик колеблется вверх-вниз, заставляя струю изгибаться.
Интересный эффект начинается, когда частота колебаний ровна частоте съёмки камеры (обычно 30 кадров в секунду). Камера «видит» динамик в одном положении и создаётся впечатление, что струя замерла в пространстве. Если частота немного отличается, струя «движется» медленно в пределах видео.
Форма сигнала (квадрат, пила) влияет на внешний вид изгиба — квдратный сигнал даёт неожиданные эффекты, пилообразный — менее чёткую струю.
Улучшение и расширение системы: Arduino, свет и электронное управление 🔧💡
Появилась идея наблюдать эффект не только камерой. Для этого использовалась Arduino с двумя потенциометрами и транзисторным модулем для управления длительностью и частотой импульсов, а также мощная светодиодная матрица для подсветки струи. Свет создаёт «заморозку» движения струи для глаза.
При этом возникла трудность с работой генератора импульсов — чат-бот помог написать код, но понадобились доработки из-за путаницы в единицах времени и небольших ошибок.
Результат: можно изменять частоту колебаний и длительность импульса, что задаёт чёткость и форму струи при взгляде без камеры.
Новые визуальные эффекты и оптические явления ✨🌈
- При увеличении частоты мерцания света вдвое относительно частоты колебаний воды возникают устойчивые структуры из двух струй в противофазе.
- Увеличение частоты приводит к формированию трёхфазных структур, напоминающих трёхфазную электрическую сеть, где волны смещены по фазе на 60°.
Конструкция и доработка механики ⚙️
Трубку заменили на мягкий силикон, что упрощает передачу колебаний. Для крепления динамика и трубки применили сантехнические клипсы и шарнир из скрепок — это позволило динамику качаться более «маятниково», улучшая эффект изгиба струи.
Кроме того, система была улучшена за счёт использования ESP32 с ЦАП, что позволило точно управлять фазой и амплитудой колебаний в реальном времени через приложение с множеством настроек.
Светодиодная подсветка и управление цветом 🎨💡
Для подсветки использовали мощные трёхцветные светодиодные ленты (120 LED на метр), управляемые драйверами с точной синхронизацией с динамиком. Короткие яркие вспышки света «фризят» изображение струи, усиливая зрелищность эффекта.
Яркость и длительность вспышки регулируют чёткость и контраст струи — короткие вспышки дают резкий и чёткий рисунок, длинные — более фарфорообразный, размытый.
Можно менять цвет струи и сдвигать фазу для создания анимации движения волн вдоль потока.
Многоканальные струи и создание «косичек» из воды 💧➰
Подключив сразу несколько динамиков и создавая колебания с разными фазами, автор получил несколько независимых струй, которые можно плавно сдвигать и синхронизировать.
Так получилась «косичка» из четырёх струй, где две струи движутся вверх, две — вниз. Цвета можно менять, создавая волшебные световые эффекты.
Крупномасштабный и 3D-вариант эксперимента 🌐🌀
Использование двух динамиков с раздельным ЦАП позволило создавать колебания в двух осях, и в результате струя начала поворачиваться не только в плоскости, но и в пространстве, формируя трёхмерные изогнутые спирали.
«Получился практически 3D принтер, который строит в воздухе различные объёмные фигуры.»
Фазовые сдвиги и изменение множителей частот позволяют создавать сложные формы струй и их сложные межфазные взаимодействия.
Итоги и научная значимость 🎓✨
Проект — наглядная демонстрация уравнения синусоиды вида амплитуда * sin(kx + b), где k — частота колебаний, а b — сдвиг по фазе. Визуализация в воде делает абстрактные математические понятия ошеломляюще красивыми и понятными.
Автор подчеркивает простоту конструкции, сопровождающуюся «магией» результата:
«Казалось бы такая простая конструкция и простая математика, а результат реально волшебный.»
Дополнительно: внутренняя съёмка и цветовая палитра 📷🔴🟢🔵
GoPro помещали в центр струи для получения внутреннего вида потока, который подтвердил ожидаемые результаты, но камера частично сбивала настройки экспозиции.
Цвета струй выбраны как красный, зелёный и синий — три базовых цвета, которые при сложении в кратчайшее время дают белый свет. Это позволило создавать естественное освещение при помощи коротких цветных вспышек.
Эксперимент сочетает физику, электронику и визуальное искусство, раскрывая глубокие свойства волн и демонстрируя, что даже простая техника способна превращаться в потрясающее шоу.