Мы живем в мире, наполненном звуками. Жители больших городов жалуются на их излишек, так как некоторые звуки мешают спокойно отдыхать. Представьте себе, что даже в самой отдаленной глуши нет полной тишины. Полной тишины вообще в природе нет.
Откуда же берутся все звуки? Будь это пение птиц или шелест листьев, шум ветра или звуки речи, грохот выстрела, гул, скрежет или сотни других звуков, мы всегда сможем определить их источник. Во всех случаях источником звуков являются материальные тела, приведенные в быстрое колебательное движение. Простейшим примером колебательного движения может быть обыкновенная линейка, если один её конец прижать к краю стола, а другой конец резко потянуть вверх. Линейка начнет колебаться, причем мы услышим глухой характерный звук.
Нашим органом слуха является ухо, этот замечательный аппарат, созданный природой. Ухо чутко реагирует на колебания материальных тел. Эти колебания передаются воздуху и распространяются во все стороны.
Колебания линейки легко себе представить и даже их можно увидеть. Но как увидеть колебания воздуха и как их себе представить? Колебания воздуха похожи на колебания воды. Каждый из вас видел волны, появляющиеся на зеркале пруда, если в него бросить камень. От того места, в которое упал камень, начинают расходиться ровные круги. Эти круги, вызванные колебаниями воды, распространяются во все стороны в виде волны. Кажется, что такая волна несет с собой воду. В действительности передается лишь само движение, а вода остается на прежнем месте. Чтобы убедиться в этом, бросьте на воду пробку или свёрнутый лист бумаги. Пробка будет подскакивать на волне, оставаясь на прежнем месте. Значит, волна не переносит материи, а переносит лишь движение этой материи.
Хорошо понять явление распространения волн вам, ребята, пока ещё трудно. Для облегчения приведу один пример. Мы с вами предположим, хотим передать какое-нибудь сведение на большое расстояние (телефон и телеграф, конечно, в данном случае исключаются). Можно воспользоваться посыльными. Каждый из посыльных пойдет в назначенное место, передаст то, что ему приказали и вернется. Но можно сделать и другое: по всей трассе расположить посты. Дежурный на посту будет громко передавать сведения своему соседу, не двигаясь с места. Волна является именно такой передачей сведений о колебательном движении без передвижения самой материи.
В воде волна переносится по её поверхности, в воздухе же волна распространяется во все стороны. На воде она образует концентрические круги, а в воздухе концентрические шары.
Если бы не было воздуха, мы не могли бы ничего услышать, так как колебания тел не переносились бы на расстояние из-за отсутствия переносящей материи. Без переносящей материи волна не может существовать. Еще никто не был на Луне, но мы с уверенностью можем сказать, что на Луне не слышно было бы выстрела, даже если выстрелить под самым ухом. Ведь на Луне нет ни воздуха, ни какого-либо другого газа.
Мы слышим потому, что колеблющиеся тела — источники звука — передают свое движение воздуху, а движение воздуха в виде волны доходит до наших ушей.
Звуки бывают разные: сильные, слабые, высокие и низкие. Если волна доходит до нас издалека, то переносимые ею колебания постепенно затухают, становятся всё слабее, совершенно так же, как исчезает постепенно на наших глазах волна с поверхности воды. Значит сильные звуки соответствуют большим волнам, а слабые звуки — малым волнам.
Высокие звуки (мы их обычно называем «тонкими») возникают в том случае, когда переносимые колебания большой частоты. Чем чаще колебания, тем тоньше, то есть выше звук. Поднимите, например, заднее колесо велосипеда и раскрутите его, прикасая к спицам деревянную палочку. Вы услышите довольно высокий звук, который по мере замедления вращения колеса будет всё ниже и ниже.
Есть ли звуки, которые мы не слышим? Да, есть. Такие звуки называются ультразвуками. Мы их не слышим потому, что они вызваны очень быстрыми колебаниями. Но, например, собаки слышат некоторые ультразвуки. Собаки слышат специальный ультразвуковой свисток, человек же его не слышит.
Звуковые волны распространяются не только в воздухе. Каждый из вас, наверное, умеет плавать и нырять. Вы, пожалуй, заметили, что даже под водой слышно крик товарищей, играющих на берегу моря или реки. Звуковые волны расходятся не только в воздухе и в воде, но и в земле, древесине, металлах, стекле и т. п. В этих телах скорость звуковых волн больше. А ведь даже в воздухе звуковые волны распространяются с огромной скоростью — 340 метров в секунду.
Звуковые волны обладают ещё одним интересным свойством: они могут отражаться. Если, например, выстрелить из пистолета, стоя на некотором расстоянии от стены, то выстрел услышим дважды: один раз непосредственно во время выстрела, а другой раз, когда звуковая волна дойдет до стены и, отразившись от неё, вернется. Второй звук, конечно, слабее первого, так как по мере прохождения расстояния, колебания затухают.
Нас окружает мир звуков. Одни звуки создаёт природа, другие являются результатом деятельности человека. Такие звуки можно разделить на возникающие независимо от нашего желания и вредные (всякого рода шумы, создаваемые работающими моторами, машинами и т. п.) и те, которые мы вызываем намеренно (пение, звуки, получаемые при игре на музыкальных инструментах, звуковые сигналы). Изучением звуков занимается отдел физики, называемый акустикой.
Ответьте мне, ребята, можно ли шум назвать приятным? Конечно, нет. К сожалению, шум неразрывно связан с цивилизацией и техническим прогрессом. Машины, облегчающие наш труд, издают во время работы различные, чаще всего не приятные для слуха звуки. С каждым годом таких звуков всё больше и больше, так как увеличивается количество машин и растёт их разнообразие.
Шумы отрицательно влияют на здоровье человека. Техника, являясь источником шумов, в то же время ведет с ними постоянную борьбу. Акустика позволяет нам использовать всё то, что есть хорошего в звуках, и бороться с тем, что вредно. Акустика — один из важнейших разделов физики.
Наш физический кабинет
Мы с вами уже знаем, что скорость звука очень большая и измерить её довольно трудно. В «Нашем кабинете» проделаем приближенное измерение скорости звуковой волны при помощи самых простых средств. Прежде всего для того, чтобы опыт удался, надо найти такое место, где возникало бы хорошее эхо. Нам понадобятся часы с секундной стрелкой или секундомер. Измеряем расстояние от отражающей стены до пункта, в котором мы находимся (лучше всего, если это расстояние равно приблизительно 100 метрам). Громко ударяем в ладоши. При расстоянии 100 метров от стены эхо услышим через 0,5 секунды (сек.). Проделаем это ещё (200/340 сек.). Проделаем это еще несколько раз, чтобы научиться на слух определять малые промежутки времени между хлопком и эхом.
А теперь можно приступать к настоящему измерению. Очередные хлопки и эхо должны происходить в равные промежутки времени. Это должно выглядеть так: хлопок, эхо, хлопок, эхо и т. д. раз, два, раз, два и т. д.
На счёт «раз» ударяем в ладоши, на счёт «два» слышим эхо. Так считаем равномерно, ударяя в ладоши. Когда вы войдёте в такт и не будете сбиваться со счёта, попросите товарища с часами или секундомером при хлопке на счёт «раз» засечь время на секундомере или запомнить положение секундной стрелки на часах. Вы продолжаете считать. При счете «сто» ваш товарищ должен выключить секундомер.
Пусть время измерения равно 118 секундам. За половину этого времени звуковая волна совершила путь к стене и обратно сто раз, то есть прошла 200 метров. Следовательно, расстояние, пройденное звуковой волной, равно 200 м х 100 = 20 000 м, т. е. 20 км, а время, за которое звуковая волна прошла это расстояние, равно, как мы уже сами подсчитали, 59 секундам. Скорость звука, следовательно, равна:
20 000/59 = 339 м/сек.
Почему для расчета принимаем только половину измеренного времени? Потому, что только в промежуток времени между хлопком и эхом звуковая волна проходит расстояние между нами и стеной (туда и обратно), а между эхом и следующим хлопком проходит столько времени, сколько нужно для сохранения ритма. Если бы мы хлопали и говорили «два» точно в тот момент, когда слышали эхо, измерение равнялось бы 59 секундам. Но нам пришлось бы в таком случае в два раза быстрее хлопать, что трудно, так как хлопки заглушали бы слабое эхо и мы не могли бы войти в ритм.