Звуки в воде

Давайте закроем слив и прикроем кран так, чтобы вода текла в ванну не очень быстро. Станем на колени (подложив коврик, конечно) и приложим ухо к стенке ванны против того места, куда попадает струя. Что мы слышим Теперь поднимем голову — звук изменился Повторим опыт несколько раз, чтобы убедиться в этом.

 

 

Звуки в водеВыключим воду и откроем слив ванны.

Вслушайтесь, приложив ухо к ванне.

Поднимите голову.

Слышите шум воды, вытекающей из ванны?

Как он лучше слышен, через стенки или по воздуху?

Звук, проходящий через твердый материал, слышен гораздо отчетливее, чем достигающий нас по воздуху.

Почему это так?

Задумаемся о происхождении звуков — вот стукнула дверь, ударили молотком по гвоздю, проехала машина, вы прошли по твердому полу. Звук всегда вызывается каким-либо механическим движением. Столы, стены, пол, большинство других предметов от толчка не приходят в видимое движение, если только он не очень силен. Но они способны несколько прогибаться, и в результате возникает их легкое движение вперед-назад, вибрация.

 

Но в момент возвращения в свое нормальное положение, она будет двигаться. Продолжая движение, но постепенно замедляясь, она остановится в точке, уже по другую сторону от своего первоначального положения. Теперь струна снова натянута и должна двигаться назад. Она пройдет эту точку и отклонится почти до точки Е, после чего опять повернет назад. Со временем, после многих таких колебаний струна вернется в состояние покоя.

Подобным способом происходят колебания твердых упругих предметов, если какой-то участок тела толкнуть и вывести из нормального состояния. Колебания одной части предмета оказывают влияние на остальные части. Колеблющиеся участки тянут и толкают соседние, и те тоже начинают колебаться. В свою очередь, они приводят в движение окружающие их участки и т. д. Таким образом, колебания, созданные в одной точке тела, передаются другим его точкам по всем направлениям, так что через какое-то время колеблются все точки внутри сферы с центром в источнике колебаний. Так распространяется звуковая волна в твердом материале.

Теперь понятно, почему мы слышим звук падающей на дно ванны воды, приложив ухо к стенке ванны. Колебания дна, вызванные падением воды, передаются стенкам и по твердому веществу, из которого сделана ванна, доходят до наших ушей.

Но почему же, подняв голову, мы все равно продолжаем слышать звук?

Давайте закроем слив и прикроем кран так, чтобы вода текла в ванну не очень быстро. Станем на колени (подложив коврик, конечно) и приложим ухо к стенке ванны против того места, куда попадает струя. Что мы слышим Теперь поднимем голову — звук изменился Повторим опыт несколько раз, чтобы убедиться в этом.

 

 

Звуки в водеВыключим воду и откроем слив ванны.

Вслушайтесь, приложив ухо к ванне.

Поднимите голову.

Слышите шум воды, вытекающей из ванны?

Как он лучше слышен, через стенки или по воздуху?

Звук, проходящий через твердый материал, слышен гораздо отчетливее, чем достигающий нас по воздуху.

Почему это так?

Задумаемся о происхождении звуков — вот стукнула дверь, ударили молотком по гвоздю, проехала машина, вы прошли по твердому полу. Звук всегда вызывается каким-либо механическим движением. Столы, стены, пол, большинство других предметов от толчка не приходят в видимое движение, если только он не очень силен. Но они способны несколько прогибаться, и в результате возникает их легкое движение вперед-назад, вибрация.

 

Но в момент возвращения в свое нормальное положение, она будет двигаться. Продолжая движение, но постепенно замедляясь, она остановится в точке, уже по другую сторону от своего первоначального положения. Теперь струна снова натянута и должна двигаться назад. Она пройдет эту точку и отклонится почти до точки Е, после чего опять повернет назад. Со временем, после многих таких колебаний струна вернется в состояние покоя.

Подобным способом происходят колебания твердых упругих предметов, если какой-то участок тела толкнуть и вывести из нормального состояния. Колебания одной части предмета оказывают влияние на остальные части. Колеблющиеся участки тянут и толкают соседние, и те тоже начинают колебаться. В свою очередь, они приводят в движение окружающие их участки и т. д. Таким образом, колебания, созданные в одной точке тела, передаются другим его точкам по всем направлениям, так что через какое-то время колеблются все точки внутри сферы с центром в источнике колебаний. Так распространяется звуковая волна в твердом материале.

Теперь понятно, почему мы слышим звук падающей на дно ванны воды, приложив ухо к стенке ванны. Колебания дна, вызванные падением воды, передаются стенкам и по твердому веществу, из которого сделана ванна, доходят до наших ушей.

Но почему же, подняв голову, мы все равно продолжаем слышать звук? Между стенками ванны и ухом находится вещество — воздух. Как и все вещества, он состоит из крошечных частиц, называемых молекулами, но отстоят они друг от друга на гораздо большие расстояния, чем в жидкостях или твердых телах. Поэтому воздух прозрачнее и легче воды или стали. Но он все-таки может передавать звуковые волны. Воздух — тоже упругое вещество, его даже накачивают в шины автомашин для уменьшения тряски. Эта упругость делает воздух и другие газы достаточно хорошими проводниками звуковых волн. В результате мы можем слышать звуки, распространяющиеся по воздуху почти так же, как и по твердому материалу.

См. также:  Температура воды

Вернемся к нашим опытам со звуками в ванне. Падающая вода вызывает колебания твердого материала, из которого она сделана. Вода и стенки ванны заставляют колебаться прилегающие слои воздуха, и звуковая волна по воздуху достигает наших ушей. Она прогибает бара — банную перепонку, специальные нервы внутреннего уха посылают сигналы об этих колебаниях в мозг, который расшифровывает полученные сигналы, и в итоге мы вос-принимаем звук.

Но раз звуковые колебания распространяются через твердое вещество и газы, не могут ли они распространяться и через жидкость Находясь в очень большой ванне, например бассейне, и погрузив голову целиком в воду, вы легко можете услышать всплески, исходящие от другого пловца. В озере или в море вы услышите шум моторов отдаленных катеров.

Звук проходит через любое вещество — твердое, жидкое и газообразное. Но он не может пройти через вакуум — пространство, где нет частиц какого-либо вещества.

Можно ли на Земле услышать гул двигателя космического корабля, пролетающего где-то в открытом космосе Нет, потому что там нет воздуха или иного материала, способного передать звуковые колебания на Землю. Конечно, на борту корабля мы можем превратить звуки в радиоволны, послать радиоволны на Землю и тут превратить их снова в звуковые с помощью радиоприемника. Но в этом случае безвоздушное пространство пересекает не звук, а радиоволны, имеющие совсем другую природу.

Пение в ванной комнате Любите ли вы петь в ванне Даже если нет, то очень многим людям это нравится, и по весьма интересной причине. Дело тут не столько в ванне, сколько в ванной комнате. Поэтому для данных исследований не обязательно лезть в ванну.

Попробуйте спеть в ванной комнате, закрыв дверь, затем повторите это в большей комнате. А лучше споем песню — другую на улице, когда поблизости никого не будет (если вы стесняетесь слушателей). В ванной комнате звук вашего голоса сильнее, а некоторые тона звучат особенно громко и полно.

Почему же в ванной комнате поется гораздо легче, чем на улице или даже в зале? Одна из причин этого кроется в том, что звуковые волны отражаются от твердых тел — стен, потолка и пола ванной комнаты. Другая связана с существенным различием между шумом и музыкальными звуками.

Давайте подробнее рассмотрим распространение звуковых колебаний. Пусть звуковая волна движется от нас к стене. Когда волна достигает стены, она отражается и начинает двигаться уже в противоположном направлении (штриховая линия ВС). Достигнув другой стены, она опять отражается. Тем временем другие волны выходят из нашего рта и складываются с общим звучанием. В результате создается более громкий звук, чем в обычных условиях. На открытом же пространстве звук просто разойдется во всех направлениях, не отражаясь и не возвращаясь к нам. В ванной комнате стены создают хорошую отражающую поверхность. При каждом отражении, конечно, какая-то часть энергии колебаний теряется, но большая ее часть все же отражается. В то же время, мягкий ковер или шторы на окнах практически не отражают звук, а поглощают его. Поэтому в комнате с ковром, мебелью с мягкой обивкой и шторами труднее создать звук такой же силы, как в ванной. Чтобы убедиться в этом, попробуйте спеть в такой комнате.

А теперь опять споем в ванной.

Но только один, очень низкий звук. Так низко, как только можете. Потом возьмем другой тон — повыше, потом еще выше, еще, и наконец, самый высокий, который вы способны произвести. Вы обязательно заметите, что существуют несколько музыкальных тонов, звучащих громче остальных. Их называют резонирующими. В чем причина такого эффекта Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить различие между простым шумом и музыкальными звуками.

В предыдущем разделе мы обнаружили, что, когда волны создаются периодическим движением, скажем, колебаниями ладони вперед-назад, то волна имеет определенную частоту, задаваемую ритмом движения ладони. При таких правильных колебаниях существует определенное расстояние между гребнями волн — иначе говоря, определенная длина волны. Кроме того, изучая волны на воде, мы заметили, что высокая частота соответствует короткой длине волны.

Но представим себе, что движение ладони неритмич но, она просто беспорядочно взбалтывает воду. В этом случае волны не имеют определенной частоты и длины волны. Ситуация с звуковыми волнами аналогична. Музыкальный звук представляет собой волны того же типа, что и образованные периодическим движением ладони в воде, в то время, как шум — это неправильные волны, похожие на вызванные взбалтыванием воды.

См. также:  Преобразование единиц измерения давления: бары в атмосферы

Дерните струну гитары, и вы, наблюдая за ее контуром, заметите, что она колеблется с очень большой частотой. Эти колебания имеют строгую периодичность. Одна струна может колебаться с частотой 200 раз в секунду, другая — 232 раза, а третья — 1050 раз. Каждая частота соответствует определенному музыкальному тону. Частота 200 раз в секунду означает, что каждое колебание следует за предыдущим ровно через 1/200 секунды. Колебания струны настолько регулярны, что на их основе можно сконструировать очень точные часы. И, действительно, в одной из моделей часов время отмеряли не колебания 22 пружины или маятника, а маленького камертона, издающего слабый музыкальный звук.

Большинство людей начинают различать звук с очень низкого тона частотой около 20 колебаний в секунду (20 Гц). Самый низкий тон На фортепиано (последняя клавиша слева) соответствует частоте 27 Гц. Клавиши в середине клавиатуры дают тона с частотой несколько сотен колебаний в секунду, клавиши в правом конце дают очень высокие звуки с частотой колебаний несколько тысяч герц. Некоторые пожилые люди перестают слышать звуки начиная с 10 000 Гц. А при частоте выше 20 000 колебаний в секунду звуки становятся неразличимыми для всех людей, хотя животные — собаки, летучие мыши, дельфины и другие — могут услышать и эти тона. Этим как раз и пользуются дрессировщики в цирке. Они проде-лывают самые удивительные трюки, например, с собаками с помощью маленьких свистков, издающих звуки с частотой более 20 000 Гц. Так собаку можно научить считать Это не значит, что она может производить вычисления Просто она научена лаять всякий раз, как услышит свист, неразличимый для зрителей. Спрятанный помощник свистит столько раз, сколько надо пролаять ученому псу, публика же при этом находится в полной уверенности, что он умеет считать.

Таким образом, звук является музыкальным и имеет определенную высоту тона только тогда, когда колебания являются периодическими. Шум же — просто набор хаотических колебаний. Поэтому у шума нет определенной частоты. Вот вы хлопнули ладонью по стене. Раздавшийся при этом звук   представляет собой смесь колебаний, создаваемых многими источниками. Воздух вытесняется из пространства между ладонью и стеной — это создает одни колебания. Колеблется сама ладонь, порождая другой тип колебаний. Стена сделана из различных материалов — штукатурки, дерева или металла, и у этой сложной конструкции — свои собственные колебания. Все вместе такие вибрации, наложенные друг на друга, воспринимаются нами как шум. Когда же мы поем музыкальную ноту определенной частоты, голосовые связки колеблются строго регулярно, подобно скрипичной струне, образуя периодические звуковые волны. Такая же регулярность присуща всем музыкальным инструментам, независимо от того, чем вызваны колебания — струнами, как в скрипке, или воздухом, как в флейте.

Представим себе, что мы поем так, что наши голосовые связки, а следовательно, и воздух колеблются 200 раз в секунду. В каждом веществе звуковые волны распространяются со строго определенной скоростью. В воздухе скорость звука составляет 330 м/с. Что происходит, когда мы издаем звук с частотой 200 Гц Ко времени, когда последующее колебание только за-рождается, начало предыдущего отошло уже на 1 /200 от 330 м, т. е. на 1,65 м. Третье колебание будет отставать от второго тоже на 1,65 м. Таким образом, колебания следуют друг за другом с интервалом 1,65 м, т. е. длина волны составляет 1,65 м.

Далее предположим, что мы берем более высокий тон — 550 колебаний в секунду. Длина волны теперь будет ЗЗОХ 1 /550 = 0,6 м. Это расстояние намного меньше,   чем в предыдущем случае. Длина волны для звука с более высокой частотой, следовательно, короче.

Теперь представим себе, что звук с частотой 200 Гц и длиной волны 1,65 м создается внутри помещения длиной 1,65 м, в точности совпадающей с длиной волны этого звука.

Тогда отраженные стенками волны могут при сложении усиливать друг друга. Колебания в этом случае происходят согласованно, в такт, и в результате создаются громкие, резонирующие, звуки.

Если же размеры помещения несколько больше или меньше 1,65 м, такого согласования колебаний уже не будет, что отразится на общей интенсивности звука. Поэтому, например, для звука с длиной волны 0,6 м и высотой 550 Гц такое помещение не подошло бы для приведения в такт колебаний в отраженных волнах. Нужна была бы комната или ящик длиной 0,6 м. Таким образом, каждое помещение лучше всего резонирует со звуками, длина волны которых соответствует размерам помещения.

См. также:  Тайна золотой короны, или объем занимаемый телом в воде

Определенные размеры ящиков или комнат, названные выше, не являются единственными, необходимыми для резонанса со звуками высотой 200 и 550 Гц. На самом деле ящик, длина которого, например, в два раза меньше (или больше) этой длины, тоже будет резонирующим. Кроме того, надо помнить, что у ящика или ванной комнаты кроме длины есть ширина и высота, не совпадающие с длиной. Волны могут отражаться также от кривых поверхностей, например, самой ванны. В вашей ванной комнате могут оказаться резонансные условия для целого ряда тонов.

Когда вы поете в большой комнате, звукам требуется больше времени, чтобы дойти до стен и отразиться, а расходясь на большие расстояния, они теряют свою силу. Кроме того, обычно размеры комнаты не являются резонирующими с тонами, на которых мы поем. Так, большая жилая комната прекрасно резонирует с самым низким тоном, который способен издать орган, потому что длина волны этого тона 6—9 м. Но она слишком велика, чтобы резонировать со звуками, производимыми нашими голосовыми связками, когда колебания имеют длину волны 0,3—0,9 м.

В таком случае, не будет ли маленький ящик лучшим резонатором для человеческого голоса, чем ванная комната Почему бы не попробовать? Возьмите картонную коробку, закрытую со всех сторон. Прорежьте на одной из ее широких сторон круглую дыру диаметром 5—7 см. Попытайтесь спеть перед этим отверстием, начав с самых низких тонов и, постепенно набирая высоту, добраться до самых высоких. Резонировала ли коробка с каким-нибудь из этих тонов Проведите тот же опыт с молочной бутылкой, бутылкой из-под лимонада или кувшином. В результате вы можете удивиться, узнав, что нечто такое маленькое, как молочная бутылка, способно резонировать с музыкальным тоном.

Вы, наверняка, когда-нибудь задумывались, почему скрипка или виолончель имеет такую странную форму. Эта форма подобрана так, чтобы различные музыкальные тона могли найти свою собственную резонансную длину в одном из направлений внутри корпуса. Например, очень высокие тона с короткой длиной волны находят необходимое им расстояние между деками корпуса скрипки. Средние тона находят свою резонансную длину поперек корпуса, а низкие, с большой длиной волны,— вдоль корпуса. S-образные вырезы на верхней деке скрипки под струнами — это места, откуда резонансные звуки начинают распространяться во все стороны и достигают слушателей. Почему корпус виолончели намного больше, чем у скрипки? Струны виолончели длиннее, массивней и не так туго натянуты, как у скрипки, и поэтому колеблются они медленней, чем скрипичные. Виолончель издает невысокие музыкальные тона — с низкой частотой и большой длиной волны. Эти длинно-волновые звуки требуют большего резонирующего объема, соответственно корпус виолончели должен быть больше, чем корпус скрипки. В инструментах типа ксилофона звуки создаются ударом молоточка по вибрирующим пластинкам разного размера. Под каждой такой пластинкой расположена полая резонирующая камера, которая делает звук, издаваемый пластинкой, намного громче.

Как же мы это так — начали с ванной комнаты, а кончили скрипкой Это и есть одно из волшебств науки. Законы физики обладают удивительным свойством: они применимы ко всему, что нас окружает, включая ванные комнаты, молочные бутылки н скрипки.

ЗАДАЧИ

 

1. Почему при выступлении оркестра в большом зале музыка звучит по-разному в зависимости от того, заполнен зал людьми или пуст?

2. Удар грома вы услышали через 25 с после того, как увидели вспышку молнии. На каком расстоянии сверкнула молния 3. На каком расстоянии находится утес, от которого эхо вернулось через 1,3 с после вашего крика

 

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Скорость звука в воздухе составляет 330 м/с. Как можно убедиться в этом на конкретном опыте. Давайте попробуем сами измерить скорость звука в воздухе.

2 Большое здание, стоящее возле открытого, не очень крутого склона,— прекрасное место для получения эха. Встаньте, например, в 6 метрах от здания и крикните что-нибудь. Слышите эхо?

Повторите опыт, отойдя на 13, 20, 25, 35 м (расстояние можно измерять складным метром). На каком расстоянии вы перестали слышать эхо Как можно объяснить, что существует максимальное расстояние, с которого оно слышно

3. Можем ли мы ожидать, что скорость звука в воздухе на большой высоте такая же, как и на уровне моря? Будет ли она в стальном рельсе такой же, как в воде или воздухе?

Больше она в воздухе или меньше? Возможно, вам захочется найти в книгах более точные сведения о скорости распространения звука в различных веществах.

Подумайте, как работает ультразвуковой локатор для подводных исследований. (Аналогичные системы используются дельфинами и летучими мышами для ориентации в темноте.)