Физический фейерверк (ответы)
Колебания и волны. Акустика
Прячься под подушку! Слышишь ли во сне? Кто-то там крадется в гулкой тишине!
1. Скрипящий мел.
Почему так ужасно скрипит мел, если мы неправильно держим его, когда пишем на доске? Как влияет на скрип положение мела относительно доски и чем определяется частота издаваемого им звука? Почему скрипят двери и почему визжат шины автомобиля, когда он резко трогается с места?
*Ответ*
Скрип и визг в рассмотренных случаях обусловлены «зацеплением и соскальзыванием». Так, мел, когда его неправильно держат, вначале зацепляется за доску, но когда пишущий достаточно сильно нажимает на мел, он внезапно соскакивает и начинает вибрировать, периодически «зацепляясь» за доску и вновь соскальзывая. Вследствие этого и возникает скрип.
2. «Поющий» песок.
Кое-где в мире, например на некоторых английских пляжах, встречается песок, который издает под ногами свистящий звук. Скрип песка еще можно как-то объяснить, но я не могу представить, отчего песок свистит. Быть может, какая-то особая форма песчинок способствует его звучанию?
*Ответ*
Звук, по-видимому, обусловлен колебаниями песка, которые возникают, когда отдельные его слои сдвигаются относительно друг друга. Песок под ногой вдавливается в глубь, а при осыпи один слой песка скользит по другому. Хотя механизм возникновения звука пока остается неясным, по-видимому, «поет» песок, состоящий преимущественно из круглых песчинок одинакового размера.
3. Игра на скрипке.
Пощипывать струну, как это делает гитарист,— очевидно, самый простой способ возбудить ее колебания. Но как возбуждается вибрация скрипичной струны при плавном движении смычка? Зависит ли частота звука от нажима смычка и его скорости?
*Ответ*
Смычок то сцепляется со струной, то отрывается от нее: струна колеблется в те моменты, когда смычок свободно скользит.
4. Звуки кипящей воды.
Когда я подогреваю воду для кофе, то по звуку определяю момент ее закипания. Вначале раздается шипение, которое постепенно нарастает, а затем уступает место более резкому звуку. Перед самым же кипением этот звук становится мягче. Как объяснить происхождение этих звуков, особенно смягчение звука перед тем, как вода закипает?
*Ответ*
Первый звук появляется, когда донышко кастрюли нагрелось достаточно для того, чтобы образовывались пузырьки: образование каждого пузырька сопровождается щелчком, а все вместе они создают шипение. При дальнейшем нагревании пузырьки отделяются от дна, поднимаются в более холодный слой воды и там лопаются; при этом возникает еще более громкий звук. Его мы слышим до тех пор, пока вода не согревается настолько, что пузырьки начинают достигать поверхности и разрываться там. Тогда вода кипит «белым ключом», а пузырьки, лопающиеся на поверхности, создают более мягкий, «плещущий» звук.
5. Скрипящий снег.
Когда мы идем по снегу... Иногда снег скрипит под ногами, но это бывает лишь в те дни, когда температура воздуха существенно ниже нуля. Что создает звук и почему его возникновение зависит от температуры? При какой примерно температуре снег начинает скрипеть?
*Ответ*
Если земля очень холодная (ее температура ниже—23° С), то лед уже не тает под ногами, а трескается.
6. Тишина после снегопада.
Почему после снегопада так тихо? Конечно, машин и людей на улице меньше, чем обычно, но только этим нельзя объяснить тишину, вдруг опустившуюся на город. Что происходит с энергией уличного шума? Почему это случается, когда снег только что выпал? Подобное ослабление звука наблюдают, например, участники антарктических экспедиций, когда прорывают туннели в снегу: приходится кричать, чтобы быть услышанным на расстоянии пяти метров. Куда исчезает энергия звука?
*Ответ*
Между пушинками свежевыпавшего снега существуют маленькие полости, благодаря которым такой снег поглощает звук так же, звукопоглощающие покрытия современных служебных помещениях. По мере уплотнения снега поглощение звука в нем ослабевает.
7. Журчащий ручей.
Вам, верно, случалось когда-нибудь солнечным днем лежать на травке, слушая журчание ручейка? Почему журчат ручейки? Почему ревут водопады и стремнины? Чем вызвано приятное шипение открываемой бутылки лимонада? Всмотритесь в прозрачный лимонад и попытайтесь связать этот звук с образованием, движением и разрывом газовых пузырьков.
*Ответ*
Отчасти журчание ручейка обусловлено пузырьками, образующимися в быстро текущей воде. Возникновение пузырьков сопровождается слабыми звуками, тогда как колебания объема пузырьков и их «схлопывание» производят более громкие звуки.
8. Разрывание ткани.
Почему, когда вы начинаете рвать ткань быстрее, издаваемый ею звук повышается?
*Ответ*
Любое периодическое движение может вызывать звуковые волны. Периодический обрыв отдельных волокон при разрывании ткани порождает звуковые волны, и мы слышим, как рвется ткань.
9. Щелканье суставов.
Почему «трещат» пальцы? Почему нужно немного подождать, прежде чем сустав сможет снова щелкнуть?
*Ответ*
Треск суставов обусловлен разрывом крохотных газовых пузырьков в жидкости, смазывающей суставы пальцев, который происходит, когда палец растягивается и давление в жидкости уменьшается. Требуется несколько минут, прежде чем жидкость снова поглотит газ и сустав опять щелкнет.
10. Звук тающего льда.
Бросьте кубик-другой льда в ваш любимый напиток и вы услышите вначале потрескивание, а затем такой звук, как будто что-то жарится на сковородке. Откуда возникают эти звуки? Не всякий лед, впрочем, производит «звук сковородки». Почему? Айсберги, попадая при дрейфе в южные моря, начинают подтаивать и тоже потрескивают. Их треск часто слышен на судах и подводных лодках, и его называют «айсберговой шипучкой».
*Ответ*
Потрескивание обусловлено раскалыванием льда под влиянием температурных напряжений, которые возникают в толще льда при нагревании. Шипение же связано с воздушными пузырьками, заключенными внутри льда, которые лопаются, когда в результате таяния льда «выбираются» на поверхность. Если таких пузырьков нет, то лед при таянии будет только потрескивать.
11. Ухом к земле.
Почему индейцы, которых мы видим в старых вестернах, обычно встают на колени и припадают ухом к земле, чтобы обнаружить далеких, не видимых глазом всадников? Если можно расслышать далекий топот копыт через землю, то почему этот звук не слышен в воздухе?
*Ответ*
То обстоятельство, что звук в земле распространяется быстрее, чем в воздухе, в данном случае не имеет значения, поскольку скорость лошади много меньше скорости звука. Звук лучше проходит в земле потому, что там он меньше рассеивается и меньше поглощается, чем в атмосфере.
12. Тембр голоса и гелий.
Почему голос становится высоким, если человек вдохнет гелий? Будьте предельно осторожны, когда вдыхаете гелий. В этом случае легко задохнуться, так как вдыхая гелий, человек не испытывает никаких неприятных ощущений, поскольку при этом в легких не накапливается углекислый газ. Никогда не вдыхайте ни водород, ни чистый кислород! Водород взрывоопасен, а кислород поддерживает горение. При вдыхании этих газов даже искра разряда (который так часто возникает в одежде) может оказаться смертельной.
*Ответ*
Резонансные частоты полости рта (как и всякой другой полости, заполненной газом) пропорциональны скорости звука в заполняющем ее газе. Скорость звука в гелии выше, чем в воздухе, поэтому голос становится более высоким.
13. Распространение звука в прохладный день.
Отчего в прохладный день звук доносится дальше, чем в жаркий? Это особенно заметно, когда звук распространяется над спокойной воной поверхностью или над покрытым льдом озером. Наоборот, звуки в пустыне распространяются на значительно более короткие расстояния.
*Ответ*
Скорость звука в теплом воздухе больше, чем в холодном. Если с увеличением высоты над землей температура воздуха уменьшается, то верхняя часть звуковой волны, распространявшейся вначале горизонтально, будет двигаться медленнее, чем нижняя. Вследствие этого траектория волны загибается вверх. В холодный же температура воздуха может увеличиваться с высотой (особенно над большими водоемами). Тогда звук отклоняется не вверх, а вниз, распространяясь таким образом на большее расстояние вдоль земной поверхности.
14. Эхо.
Несомненно, вы знаете, что такое эхо. Это отражение звуковых волн от какого-либо удаленного предмета, не так ли? Но объясните, почему порой частота отраженного звука, который приносит эхо, оказывается выше, чем частота исходного? Почему эхо от высокого звука обычно громче и отчетливее, чем от низкого? Как близко к отражающему предмету можно встать, чтобы еще слышать эхо?
*Ответ*
Рассеяние звука на предметах, размер которых мал по сравнению с длиной волны, обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Поэтому звуки более короткой длины волны (высокой частоты) рассеиваются сильнее, чем звуки большой длины волны (низкой частоты). Эхо от крика будет иметь более высокий тон, поскольку высокочастотные звуки лучше отражаются от препятствий и при возвращении имеют большую интенсивность.
15. Распространение звука при ветре.
Почему вы лучше слышите крик находящегося далеко от вас человека, если он кричит «по ветру», а не против ветра? Потому ли, что, как принято считать, в направлении против ветра звук ослабляется сильнее?
*Ответ*
Звук распространяется по ветру дальше не потому, что в этом направлении он меньше ослабляется, а потому, что, двигаясь по ветру, звуковые волны отклоняются вниз, тогда как при движении против ветра они отклоняются вверх. Скорость ветра обычно возрастает с увеличением высоты, так , как у поверхности Земли на его пути встречаются различные препятствия. Когда волна распространяется по направлению ветра, она движется вверху с большей скоростью, чем внизу, поэтому в целом отклоняется книзу. Аналогичное рассуждение позволяет понять, почему волна, движущаяся против ветра, отклоняется кверху.
16. Молния без грома.
Нередко мы видим вспышку молнии, но не слышим грома. Как правило, раскаты грома редко распространяются на расстояния более 25 км. Почему? Неужели 25 км — такое уж большое расстояние для звука? Нет, орудийные выстрелы и разрывы снарядов доносятся значительно дальше. Почему же на таком расстоянии не слышен гром?
*Ответ*
Здесь действуют те же причины, которые мы уже рассматривали в задачах. Звуковые волны, возникающие при разряде молнии, отклоняются вверх в теплых слоях воздуха у поверхности земли. За пределами области радиусом примерно 25 км звук отклоняется настолько, что уже не слышен на земле.
17. Если приоткрыть дверь в шумный коридор...
Когда я закрываю дверь своего кабинета, которая выходит в шумный коридор, в комнате становится тихо. Если же дверь открыть настежь, то шум мешает работать. А что если дверь приоткрыть чуть-чуть? Должно быть, это почти то же самое, что и закрыть ее? Однако я убедился, что в этом случае шум ничуть не меньше, чем при широко открытой двери? Почему же узкая щель так разительно усиливает шум в моем кабинете?
*Ответ*
Звуковая волна дифрагирует на щели Хотя дверь лишь слегка приоткрыта, звук, проникая через щель, распространяется по всей комнате.
18. Когда тошнит от инфразвука.
Инфразвук (звук с частотой, ниже слышимой ухом) вызывает тошноту и головокружение... он может даже убить. Теперь, когда опасность инфразвука для человека установлена, его усиленно изучают и обнаруживают буквально повсюду: вблизи аэродромов, в автомобилях, движущихся с большой скоростью, на океанском побережье, во время гроз и смерчей. Животным и некоторым особо восприимчивым людям инфразвуковые сигналы несут предупреждение о приближающемся землетрясении. Почему инфразвук оказывает такое воздействие на людей и животных? В частности, как объяснить способность инфразвука вызывать внутренние кровоизлияния?
*Ответ*
Инфразвук может, например, привести в состояние колебаний грудную клетку; вызываемые им изменения давления происходят достаточно медленно, так что грудная клетка успевает колебаться в такт с ними. При таких колебаниях возникает трение между внутренними органами, что может привести к внутреннему кровоизлиянию. При меньших интенсивностях инфразвук нередко вызывает головокружение и тошноту. «Укачивание» в автомобиле отчасти также обусловлено возбуждаемым при его движении инфразвуком.
19. Шум морской раковины.
Почему, когда мы прикладываем к уху раковину, нам слышится «шум моря»?
*Ответ*
Окружающие звуки, в том числе и легкое дуновение ветра вблизи устья раковины, возбуждают в заключенном в ней объеме воздуха резонансные колебания. Возбуждение и затухание этих колебаний создает у слушающего иллюзию звуков океанского прибоя.
20. Разговор и шепот.
Чем определяется тембр нашего голоса? Почему женский голос выше мужского? Многие молодые люди переживают период «ломки» голоса. По чему это происходит? Как вы переходите от обычного разговора на шепот?
*Ответ*
Тембр голоса определяется длиной и натяжением голосовых связок. При увеличении давления в трахее наступает момент, когда связки резко расходятся, а затем возвращаются в прежнее положение. Продолжительные колебания связок вызывают изменения давления воздуха, которые в свою очередь возбуждают резонансные гармоники полости носоглотки. Мужской голос обычно ниже женского, так как у мужчины голосовые связки толще, длиннее и вибрируют с более низкой частотой. Голос мальчиков «ломается» в период быстрого роста: гортань увеличивается, и голосовые связки из детских — тонких и коротких — превращаются в мужские. При шепоте голосовые связки расслабляются и бездействуют в гортани. Частота произносимых звуков в этом случае определяется колебаниями воздушного потока, возникающими из-за наличия других препятствий, а также резонансными частотами носоглотки.
21. Завывание ветра.
В фильмах ужасов монстры обычно творят свои злодейства под завывание ветра. Почему воет ветер?
*Ответ*
Завывания ветра могут возникать на висящих проводах и голых ветвях деревьев или (как краевой тон) на углах крыш и других заостренных предметах. При обтекании ветром провода или ветки дерева воздушный поток становится неустойчивым, и тогда с препятствия могут срываться вихри. С телеграфного провода, например, вихри срываются попеременно то с верхней, то с нижней его части. Эти вихри и создают колебания давления воздуха, которые мы воспринимаем как звуки. Если ветер достаточно силен, то колебания давления с двух сторон провода могут заставить его вибрировать целиком; впрочем, колебания провода не обязательны для возникновения звука. Так как локальные изменения давления обусловлены вихрями на верхней и нижней частях провода, то сам он вынужден совершать колебания перпендикулярно воздушному потоку.
22. Свистящий чайник.
В некоторых типах «свистков» для чайников на пути воздушной струи устанавливают препятствия. Например, «краевой тон» можно получить, направив струю воздуха на клин. Аналогично, поставив на пути струи кольцо, можно получить «кольцевой тон». Наиболее распространены чайники такой конструкции, где на пути пара сделано отверстие, которое и создает звук. В каждом случае звук зависит от вида препятствия, но как? Что именно издает свист, когда кипит чайник?
*Ответ*
При возникновении краевого тона вихри срываются с края препятствия, когда его обтекает воздушный поток. Возникающие при этом колебания края препятствия и создают слышимый нами звук. Частично звук возвращается к источнику воздушного потока. Вследствие этого возникает дополнительная неустойчивость потока, способствующая образованию вихрей. Когда эти вихри достигают края препятствия, они вновь возбуждают звук и т. д. Когда свист создается с помощью отверстия, звук, возвращаясь к источнику воздушного потока, изменяет скорость последнего; в результате образуются вихревые кольца. Когда эти кольца доходят до отверстия, снова возбуждается звук и т. д. Чаще всего свист чайника создается двумя отверстиями, которые расположены в крышке и разделены небольшим углублением. Когда воздух изнутри чайника проходит через первое отверстие, оно становится источником воздушной струи, которая создает неустойчивость воздушного потока у второго отверстия и тем самым порождает звук. Поначалу скорость такого потока недостаточна для возникновения неустойчивости, когда же вода близка к кипению, воздух движется быстрее, завихрения у второго отверстия становятся больше, возникает звук.
23. Почему свистит бутылка?
Примером еще одного типа свистка может служить маленькая бутылка из-под лимонада: если подуть поперек ее горлышка, она начинает звучать. Здесь налицо не только препятствие на пути струи (край горлышка), но и полость, примыкающая к этому препятствию. К тому же типу свистков относятся флейты, органные трубы и т. д. Почему все эти устройства производят звук определенной частоты? Каким образом, зажимая пальцами отверстия флейты и изменяя давление воздуха вблизи препятствия, мы извлекаем разные звуки? Влияет ли диаметр горлышка бутылки на частоту издаваемого ею звука? А ее форма? Допустим, я частично заполню бутылку водой, определю ее резонансную частоту с помощью камертонов, а затем встряхну. Форма полости, конечно, изменится. А резонансная частота?
*Ответ*
Бутылка из-под лимонада, свирель, флейта отличаются от свистков, тем; что в них вблизи отверстия или края, на которых образуются неустойчивости, находится резонирующая полость. Из набора частот, присутствующих в звуке, возникающем на краю препятствия или в отверстии, полость выделяет и усиливает резонансную частоту, которую мы и слышим.
24. Басовые частоты в динамиках малых размеров.
Не удивительно ли, что головные телефоны, стереонаушники, портативные транзисторные приемники могут воспроизводить низкие частоты. Динамики в них очень малы, однако они воспроизводят низкие частоты. Рупоры старинных граммофонов тоже, казалось бы, не должны были воспроизводить низкие частоты. Почему же мы все - таки слышим их?
*Ответ*
Наше ухо воспринимает низкие тона даже в том случае, если они не излучаются динамиком. Дело в том, что, когда ухо улавливает колебания двух различных частот, мы слышим также частоты, равные их сумме и разности, а кроме того,— равные суммам и разностям некоторых частот, кратных основным. Наиболее отчетливо слышна разностная частота (разностный тон), которая воспринимается как басовый звук.
25. Когда самолет преодолевает звуковой барьер.
Что является причиной громового удара, который производят сверхзвуковые самолеты? Возникает ли этот «гром» только в тот момент, когда самолет преодолевает звуковой барьер? Зависит ли он от шума двигателей? Иногда мы слышим не один удар, а два подряд. Почему? Зависит ли «гром» от высоты полета? Как сказывается на этом эффекте режим полета самолета: набирает ли он высоту, теряет ее или совершает разворот? При одних условиях самолет производит «сверхгром» — особенно сильную ударную волну. При других — удар возникает, но не доходит до поверхности земли. Как это объяснить?
*Ответ*
Если самолет летит со скоростью, большей скорости звука, то впереди него образуется ударная волна (скачок уплотнения воздуха) конической формы. Этот конус, расширяясь, достигает поверхности земли, где возникает скачок давления, воспринимаемый как звук хлопка или выстрела. Вторую ударную волну создает хвост самолета. Иногда эти два скачка давления неразличимы, иногда же они воспринимаются как два раздельных удара. Ударная волна может и не достигнуть поверхности земли, если она достаточно искривляется в теплом нижнем слое воздуха.
26. Раскаты грома.
Когда я был маленьким, мама объясняла мне, что гром как-то связан с молнией. Как же возникает гром, и почему его раскаты слышны довольно длительное время? Всегда ли гром грохочет? Я читал, что в радиусе 100 м от места удара молнии вначале слышен щелчок, затем — треск (как от пастушьего кнута) и только потом — грохот. Что вызывает щелчок и треск? А чуть дальше вместо резкого щелчка слышен взвизг. Почему?
*Ответ*
В настоящее время явление грома стало предметом внимательного изучения. Предполагается, что электрический разряд молнии вызывает сильное нагревание и резкое расширение воздуха; в результате создается цилиндрическая ударная волна, которая и служит основным источником грома. Недалеко от места удара молнии можно также расслышать шипение [скорее всего, его производит коронный разряд и щелчок — видимо, это звук движущегося вверх «лидера». Длительное звучание грома (рокот и раскаты), вероятно, обусловлено отражением звука от окружающих объектов.