Физика без формул - Александр Леонович

Чувствительность новых приборов оказалась настолько большой, что они уловили поразительные сигналы. Например, о бурных взрывных процессах в невидимых нами галактиках. Им удалось «поймать» излучение холодного межзвездного газа и необыкновенных образований — нейтронных звезд. Эти звезды состоят из мельчайших незаряженных частичек — нейтронов, сжатых вместе чудовищным давлением.

Радиоастрономия позволила открыть так называемое реликтовое излучение Вселенной. Оно донесло до нас сведения о состоянии вещества, каким оно было около 15 миллиардов лет назад.

«А-у!» — кричим мы, заблудившись в лесу. «Что надрываешься?» — отвечает нам эхо. Не может такого быть, скажете вы. А почему? Вот вам и первый вопрос о звуке.

А сколько их еще, таких вопросов! Можно ли переговариваться на Луне? Слышно ли под водой? А как передать звук по проводам? А как — без проводов? Какие звуки издают и слышат животные? Бывают ли неслышимые звуки? И вообще, что же это такое — звук?

Люди давно стали догадываться о том, как звуки рождаются, передаются и «умирают». Скажем, древнегреческий философ и ученый Аристотель довольно верно представлял себе природу звука. Необыкновенно искусны были мастера, изготавливавшие музыкальные инструменты, и музыканты, игравшие на них. А строители и архитекторы? Может быть, вам доводилось слушать орган в старинном соборе? Насколько же хорошо нужно было, порой вовсе не обладая научными знаниями, разбираться в источниках и проводниках звука!

Но вот когда встают задачи построить сверхзвуковой самолет или создать качественную звукозапись — без науки никуда.

Однако перед вами эти задачи, вероятно, встанут не скоро. Мир же обычных звуков окружает нас сейчас и со всех сторон. Да и сами мы, что греха таить, любим пошуметь.

Ну-ка, послушаем, как это делается…

Да очень просто — крикнуть, вот и все дела! Ну, конечно, можно еще чем-нибудь постучать, например, молотком по гвоздю или кулаком в дверь. Или гаечным ключом по батарее отопления — весь дом услышит. Ногами потопать, мячом похлопать. Проколоть иголкой воздушный шарик — вот громко лопнет! Посвистеть, в трубу подудеть. А еще вот учительницу вывести из себя — линейкой подребезжать. Минуточку…

На примере линейки можно буквально глазами увидеть, как рождается звук. Какое движение совершает линейка, когда мы закрепим один ее конец, оттянем другой и отпустим его? Мы заметим, что он будто бы затрепетал, заколебался. И если теперь мы внимательно переберем все перечисленные примеры, то всякий раз обнаружим: звук создается коротким или долгим колебанием каких-то предметов.

Стукнули в дверь — она дернулась и послала в воздух глуховатый звук. Гаечный ключ заставил завибрировать трубы и батареи. А наш «веселый, звонкий мяч» сжимался и расправлялся под ударами руки и об пол. Когда же воздушный шарик «лопнул, хлопнул — вот и все!», то он послал по воздуху резкий скачок давления.

Теперь мы можем сказать, что колеблющиеся тела создают вокруг себя зоны разрежения и сжатия. Уплотнения воздуха разбегутся от источника во все стороны. А как обстоит дело, например, в воде? Да, в общем-то, похоже. Только вода плотнее воздуха и ее частички скорее передадут сжатие и разрежение своим соседкам. То есть звук побежит по воде быстрее. Нетрудно догадаться, что самую большую скорость звук будет иметь в твердых телах, где все частички упакованы еще теснее. Скажем, в воздухе скорость звука немногим более 300 метров в секунду, в морской воде —1500, а в некоторых металлах она достигает нескольких тысяч метров в секунду.

Источниками звука могут быть не только вибрирующие предметы. Свист пуль или снарядов в полете, завывание ветра, рев реактивного двигателя рождаются от разрывов в потоке воздуха, при которых также возникают его разрежения и сжатия.

А можно ли увидеть, как звук «бежит»? В прозрачном воздухе или воде колебания частичек сами по себе незаметны. Но легко найдется пример, который подскажет, что происходит при распространении звука.

Опустите в воду поплавок. Это может быть даже бумажный кораблик, спичечный коробок или кусочек пенопласта. Если недалеко от него бросить в воду камушек, то из точки попадания кругами пойдут волны. Посмотрим на наш поплавок. Он будет колебаться вверх-вниз, показывая, как ведут себя частички воды на поверхности.

Итак, волна бежит, а передающие ее частицы «топчутся» на месте. Это — признак любого волнообразного движения. Быть может, вы видели, как на трибунах больших стадионов болельщики пускают по кругу «волну». Каждый из них лишь поднимается и вновь садится на свое место вслед за соседом, скажем, слева. И из таких попеременных приседаний образуется кружащаяся по трибунам волна. А ведь ни один из зрителей сам не бежал вокруг стадиона.

В зависимости от формы источника звука волны могут быть, например, плоскими или сферическими. Вот если завибрирует, к слову, в воде большой металлический лист, то волна пойдет в обе стороны от него, как бы повторяя и перенося в пространстве его плоскость. А если в воздухе стал бы пульсировать упругий мячик, то волна от него пошла бы по всем направлениям, повторяя его форму, но словно раздуваясь. Подобным манером расходится звуковая волна от места взрыва снаряда.

Таким образом, хотя звук и невидим, распространение его в виде волн очень хорошо изучено. Этим занимается обширный раздел физики, называемый акустикой.

Одинаково ли движутся частички, передающие звуковую волну? Для ответа на этот вопрос последим за колебанием источника звука. Вот, к примеру, гитарная струна. Вы дернули, ущипнули ее, и она затрепетала. Все ее частички начали совершать колебания в поперечном к струне направлении. Подхватят эти колебания и частички воздуха, то есть будут смещаться «туда-сюда». Но, заметьте, уже вдоль линии, по которой распространится волна.