Наперегонки со звуком

Почти все живые существа умеют слышать. Слух помогает кошке охоться на мышей в полной темноте, а заяц, вовремя услышав шорох подкрадывающейся лисы, сможет убежать и спастись от хищницы. Люди разговаривают друг с другом, слушают радио и телевизор. Из рассказов учителя в школе мы узнаем много нового, а фразы героев мультфильмов заставляют нас смеяться. Благодаря звуку, мы получаем разную информацию об окружающем мире, а также сами можем делиться чем-то с помощью голоса, который создает звук, передающий окружающим наши мысли, желания, просьбы. Все это кажется совершенно обычным, и мы даже не задумываемся, что такое звук. А ведь звук — это очень интересное явление, с которым мы сейчас познакомимся.

Звук – это движение

Мы привыкли, что все вокруг нас движется, и даже не обращаем на это внимание. Каждое утро встает Солнце и неспешно идет по небосклону, течет река, дует ветер, мимо нас проезжают машины, и проходят люди, из крана льется вода, дорогу перебегает черный кот, с дерева падает лист. Такое движение, когда что-то или кто-то перемещается из одного места в другое, называется поступательным. А есть другой вид движения, при котором перемещение какого-нибудь предмета повторяется вновь и вновь. Вспомните старые часы с маятником – маятник качается из стороны в сторону, проходя по одному и тому же пути. Катаясь на качелях, мы попеременно движемся вперед и назад. Когда мама собирается испечь что-нибудь вкусное, она замешивает тесто ложкой, ловко водя ее по кругу в миске. Иногда ей помогает миксер, который делает то же самое, но быстрее. Такие повторяющиеся движения называются периодическими или, проще, колебаниями.
Понаблюдайте за волнами на берегу моря или реки. Вода то набегает на берег, то отходит назад, потом набегает снова и так далее. Это колебание воды происходит довольно медленно, поэтому можно разглядеть прибой во всех подробностях. И, наоборот, очень быстрое движение может быть незаметным. Если мы смотрим на винт самолета, то хорошо видим его лопасти, когда они только начинают вращаться, но по мере увеличения скорости вращения, винт как будто исчезает. Также можно не заметить очень маленькие колебания. Например, почти незаметно движение струны на гитаре или скрипке, если струну легонечко дернуть. Как не видно и движение поверхности барабана после удара по нему. Но только приложите палец к струне или барабану, сразу ощутите, как они трясутся, другими словами, совершают колебания. На самом деле, руками вы почувствуете самый настоящий звук, потому что звуком называют колебания любых предметов, которые мы можем слышать.
Легко заметить, что колебания струны, хоть и маленькие, но очень быстрые – струна часто-часто стучит по пальцу, кажется, что она дрожит. Для того, чтобы колебания были слышимыми, нужно чтобы они происходили очень часто – сотни и тысячи раз за одну секунду. Обычный комар успевает почти 800 раз взмахнуть крыльями лишь за одну секунду. Именно его крылья создают писк, который мешает нам заснуть ночью. Такие колебания, подобно вращающемуся винту самолета или дрожанию струны, невозможно разглядеть. Поэтому звуки остаются для нас невидимыми.
А почему же мы слышим струну, она ведь находится на некотором расстоянии от наших ушей? Дело в том, что движения струны вызывают движение воздуха вокруг нее. Воздух начинает колебаться вслед за струной, эти колебания передаются по воздуху и по нему попадают в наши уши. Все звуки, которые мы слышим, добираются до нас по воздуху. Воздух нужен не только, чтобы дышать, но, и чтобы слышать!

Как передается звук

Звук невидим, поэтому трудно угадать как он передается по воздуху. Но это можно себе представить, наблюдая за волнением воды. Важно, чтобы поверхность воды была ровная - лучше выбрать пруд или реку в безветренную погоду. Закиньте небольшой камень подальше. От места, куда упадает камень, начинают расходиться волны в виде совершенно ровных кругов. С удалением от места падения камня высота волн понемногу уменьшается, и на большом расстоянии волнение воды почти незаметно.
Примерно также ведет себя звук. Представим, что кто-то ударил в барабан. Звук удара начинает расходиться по воздуху одинаково во все стороны, при этом и вверх и вниз. Чем дальше звук, тем он становится тише.
Конечно, вы знаете, что есть притяжение – любые предметы падают на землю. Мы ходим по земле, а не летаем по воздуху также из-за притяжения. Но оказывается, что притяжение не действует на звук! Если подбросить камень вверх, то через некоторое время он упадет рядом. А звук, ушедший наверх, уже не вернется обратно – так и долетит до облаков, хотя и станет совсем тихим.
Скорость звука
Голос человека, которого мы слушаем, как будто тут же попадает нам в уши. Мы видим движение губ и сразу слышим, что они произносят. Но ведь сначала голос создает звук, потом он по воздуху долетает до наших ушей, после чего мы его слышим. Для того, чтобы преодолеть расстояние между ртом говорящего человека и ушами слушающего звуку требуется некоторое время. Небольшое расстояние звук пробегает очень быстро, и мы даже не успеваем этого заметить.
Чем больше расстояние, тем больше времени нужно звуку для его преодоления. Для того, чтобы понять, насколько звук быстрый, используют величину «скорость звука», т.е. расстояние, на которое проходит звук за определенное время. В воздухе звук за одну секунду успевает пробежать 330 м, а это немаленькое расстояние – почти длина круга на стадионе. Также за одну секунду звук поднимется от земли до смотровой площадки Останкинской телебашни, а скоростной лифт будет везти нас туда почти целую минуту. А если подождать час, то звук сумеет пройти почти 1200 км, а это расстояние между Москвой и Сочи. Обычно говорят, что скорость звука равна 330 метров в секунду (а пишут просто «м/с») или 1200 километров в час (пишем сокращенно «км/ч»).
Как мы видим, звук очень быстрый, но он может быть еще быстрее! Звуковые колебания передаются по воздуху, но также они могут распространяться и в других средах – в жидкостях, и в твердых веществах. В разных средах скорость звука очень разная. В воде скорость звука составляет 1500 м/с или 5500 км/ч. Это очень быстро – ведь с такой скоростью звук преодолеет Атлантический океан от Европы до Северной Америки всего за 1 час. Еще быстрее звук в металлах, например, в стали его скорость равна 5000 м/с или 18000 км/ч. Если запустить звук по рельсам железной дороги, которые сделаны из стали, то по ним звук добежит из Москвы до Санкт-Петербурга всего за две минуты.
В соревновании звуков на скорость преодоления дистанции привычный звук в воздухе окажется самым медленным, он проиграет звуку в воде и металле. Хоть для нас он все равно остается очень быстрым, может есть способ его догнать и даже обогнать?

Догнать и перегнать звук

В воздухе звук передвигается очень быстро. Можно ли с ним посоперничать? Давайте вспомним с какой скоростью движется человек. Во время прогулки люди проходят за 1 час примерно 5 километров, а звук – 1200 км! Конечно, он обгонит нас и даже не заметит. А если побежать? Самые быстрые спортсмены мира – спринтеры – пробегают 100 м на Олимпийских играх примерно за 10 секунд. Получается, что за одну секунду они прибегают 10 метров, а звук за это время улетит на 330 м. К сожалению, сам человек никак не сможет догнать звук.
Но среди всех живых существ на Земле у человека не самая большая скорость. Быстрейшее животное, передвигающееся по земле – это гепард, во время охоты он разбегается до скорости почти 130 км/ч, а в воздухе самая быстрая птица – сапсан. Когда сапсан летит с большой высоты к земле, говорят, что он пикирует, он разгоняется до 390 км/ч. Но и гепард, и сапсан все равно очень медленные по сравнению со звуком. В воде быстрее всех плавает рыба-меч, он такая же скоростная, как и гепард. Но не забудем, что скорость звука в воде гораздо больше, чем в воздухе, так что морским животным сложнее соревноваться со звуком, чем наземным. Поэтому никто на Земле не может обогнать звук.
Человек придумал много движущихся машин и механизмов, среди которых есть довольно быстрые. Давайте посмотрим может ли что-то, созданное людьми, обогнать звук. Среди машин, ездящих по земле, самые быстрые – гоночные автомобили. Их максимальная скорость на гоночной трассе примерно такая же как у сапсана, то есть они медленнее звука. Еще стремительнее самолеты. Пассажирские самолеты, на которых мы путешествуем, летают со скоростью от 200 до 800 км/ч. Да, на таком самолете мы не сможем догнать звук, но ведь остается совсем немного! Надо только выучиться на летчика, сесть за штурвал военного самолета – истребителя, хорошенько разогнать его и у тебя получится обогнать звук. На истребителе можно достичь скорость более 2000 км/ч, а это гораздо больше скорости звука в воздухе. Поэтому такие самолеты называют «сверхзвуковыми». Интересно, что, когда самолет набирает такую скорость, что становится быстрее звука, говорят, что он преодолел «звуковой барьер».
Рекордсменом скорости является космическая ракета. Для того, чтобы улететь в космос ей необходимо лететь со скоростью в 20 раз большей скорости звука. Во время старта ракета разгоняется, ее скорость возрастает, и примерно на высоте 4 км, пока ее хорошо видно, она уже обгоняет звук. Хотя сам человек не смог обогнать звук, но он придумал способ как это сделать.
А что же самое-самое быстрое? Оказывается, это не творение рук человека, а, как и звук, природное явление. Самую большую скорость имеет свет, он распространяется так быстро, что трудно себе представить. За одну секунду он пролетает 300.000 км! Например, за это время он обогнет земной шар почти 8 раз или успеет долететь с Земли до Луны. Один человек даже пошутил так: «Самым быстрым на свете является свет».

Если ли звук в космосе?

Ракета улетела бороздить просторы Вселенной, а мы смотрим на Луну, Солнце или звезды и думаем, а могут ли жить другие люди на далеких планетах или их спутниках, необычные животные, а может быть и инопланетяне. Чтобы узнать, если ли жизнь на других планетах, ученые вглядываются в телескопы, с помощью ракет запускают космические аппараты, которые исследуют далекие космические объекты. А может быть можно просто громко крикнуть, и нас услышат соседи по космосу и что-нибудь крикнут в ответ?
Как мы уже знаем, для звука нужная какая-то среда – газ, вода, металл, в которой он может бежать. Но в космическом пространстве нет никакой среды, там – полная пустота (ученые называют ее сложным словом – вакуум). Между звездами и планетами совсем ничего нет, даже газа. Поэтому звук там просто не может существовать, и невозможно запустить звук с одной планеты на другую. И если бы мы с вами оказались в космосе, то бы мы обнаружили там полную тишину!
Но на других планетах и на звездах, как и на Земле, есть разные звуки. Они появляются в газовых средах, например, в атмосфере Земли, Марса или Венеры. А все звезды и некоторые планеты полностью состоят из газа, в котором также распространяется звук. Также есть твердые небесные тела без атмосферы. Это Луна и спутники других планет, а также маленькая планета Меркурий. На них звук есть только внутри твердой поверхности.
На каждом объекте, который мы видим на ночном небе своими глазами или с помощью телескопа, есть свои звуки. Но они всегда остаются только там, увы мы не можем их услышать. Также как не сможем докричаться до Луны или Солнца.
Очень далекие звезды, хоть и не слышны, зато хорошо видны, а значит свет от них добрался до Земли. В этом еще одно интересное отличие света от звука: свет без каких-либо трудностей преодолевает в космическом пространстве любые расстояния. Ему не нужна никакая среда – ни газ, ни воздух.

Расстояние до грозы

Во время грозы бывает очень страшно – сверкает молния, грохочет гром, дует ветер, льет дождь. Самое страшное место – это центр грозы, там, где бьет молния. Конечно, хотелось бы, чтобы молния была подальше. Оказывается, что есть очень простой способ узнать расстояние до молнии – нужно только воспользоваться знаниями о звуке, которые вы уже получили в этой книге.
Наверняка вы замечали, что молния и гром от нее происходят не одновременно. Сначала мы видим молнию – яркую длинную искру от тучи до земли, а лишь через некоторое время слышим гром. Как вы уже догадались, причина в том, что свет и звук распространяются с разной скоростью. Скорость света столь велика, что мы даже не замечаем время, за которое свет от молнии достигает наших глаз. Можно считать, что молнию мы видим сразу, как только она ударила. А вот звуку нужно время, чтобы добраться до наших ушей. Вот по этому времени мы и узнаем далеко ли гроза.
Нам нужно определить время между тем моментом, когда мы увидели молнию, и моментом, когда мы услышали гром. Разумеется, можно взять настоящий секундомер, или часы с секундной стрелкой или современный телефон, в котором есть программа-секундомер. Если вы засечете сколько секунд прошло между молнией и громом и поделите эту цифру на три, то получите расстояние до молнии в километрах. Например, если у вас получилось шесть секунд, то значит гроза на расстоянии два километра, а это совсем уже не страшно.
А что делать, если под рукой не окажется никакого прибора, измеряющего время? Тогда можно просто посчитать в спокойном темпе, но не медленно: «раз – и, два – и, три – и, четыре – и,…» Добавление звука «и» после каждого счета позволяет сделать его длительность, равной примерно одной секунде. Поэтому до скольки вы успеете досчитать, вставляя между цифрами звук «и», столько секунд и прошло. Опять делим на три и узнаем сколько километров до грозы.
Если вдруг вы совсем разволновались, то можно просто начать считать в обычном ритме «раз-два-три» как только увидели молнию. Если успели досчитать до четырех, то значит молния ударила на расстоянии одного километра или даже больше, получается, что гроза далеко, и поэтому бояться нечего.

Говорим по телефону

Телефон стал привычным средством общения между людьми, находящимися на больших расстояниях. Если вы, находясь в Москве, говорите с другом из Сочи, то вы сразу слышите, что он сказал. А ведь звуку нужно почти два часа, чтобы дойти от одного города до другого. И если бы мы просто разговаривали, хотя это пришлось бы делать очень громко, то ответа пришлось бы ждать четыре часа: сначала два часа звук бы шел из Москвы в Сочи, а потом бы еще два часа ответ шел обратно. Получается, что все-таки звук довольно медленный для разговора на больших расстояниях.
Что же помогает звуку так быстро преодолевать большие расстояния? Для этого надо понять, как работает телефон. Мы произносим фразу, звук от нашего рта по воздуху долетает до телефона. Телефон находится близко поэтому звуку на это требуется совсем немного времени. В телефоне есть специальное устройство – микрофон, которое преобразует звук в электрический сигнал. Этот сигнал бежит по проводам или передается через спутник. Скорость электрических сигналов равна скорости света, поскольку свет это тоже своеобразный электрических сигнал. Именно по этой причине наш звук в виде электрического сигнала почти мгновенно достигает телефона нашего собеседника. Далее с помощью другого специального устройства – громкоговорителя, электрический сигнал преобразуется в звук и по воздуху от телефона добирается до уха.
Получается, что свет помогает звуку сильно ускориться и быстро передаваться из одного города в другой.

Эхо

Любопытное явление – эхо – также связано с тем, что у звука есть скорость. Находясь в горах или тихом лесу, нужно громко крикнуть какое-нибудь короткое слово. Иногда удается услышать отголосок, концовку этого слова, а, если повезет, то его целиком. Крикнувший человек слышит сам себя через некоторое время. Чтобы получилось эхо, звук выкрикнутого слова должен найти какое-то препятствие – горы, холм, лес, и, натолкнувшись на него, вернуться обратно к человеку. Время, которое необходимо звуку, чтобы добраться до препятствия и вернуться, и есть тот промежуток, который мы замечаем между криком и эхо. Если найдется несколько препятствий, то звук отражается от каждого, и возвращается несколько эхо, и наш крикун слышит несколько повторений своего слова.
Эхо есть и в городе. Стены домов хорошо отражают звуки и создают эхо. Но эхо значительно тише первоначального звука, поэтому из-за городского шума эхо чаще всего просто не слышно. Но, если выбрать тихое время и отойти от домов, например, на детскую площадку, то эхо можно хорошо услышать, особенно с небольшого возвышения – холмика или горки.
Когда звук возвращается, оттолкнувшись от препятствия, говорят, что звук отразился. Это очень похоже на то, как свет отражается от зеркала. Способность звука отражаться помогает заглянуть туда, куда не попадает свет. В больнице нам иногда назначают ультразвуковое исследование (УЗИ), при котором звук проходит сквозь наши органы, и по отражению врачи могут судить об их состоянии и о нашем здоровье. А для того, чтобы узнать о полезных ископаемых в глубине земли ученые-геологи используют звук, который по-разному отражается от разных веществ. По отраженному звуку геологи определяют, где залегает нефть, а где золото.
Некоторые животные с помощью звука научились видеть. В полной темноте летучие мыши испускают звуки, правда незаметные для человека, и, услышав эхо, определяют, где находятся деревья, земля и другие препятствия. Дельфины в воде делают то же самое: издают особенный звук, и по отражённому звуку они узнают, где дно, где поверхность моря, а где рыбки, за которыми охотятся. Кстати, этот звук мы слышим во время представлений в дельфинарии. Такое умение помогает дельфинам ориентироваться ночью или в мутной воде.
Теперь понятно, что эхо — это не только веселое развлечение в горах, но и очень полезное явление.

Акустика – наука о звуке

Вы уже много узнали про звук и почти стали акустиками – так называют ученых, занимающихся исследованиями звука и всего, что с ним связано. А наука, изучающая звук, называется красивым словом «акустика», что в переводе с греческого языка означает «слышу». Первым акустиком принято считать Пифагора – античного философа, который исследовал музыкальные звуки. А другой древний философ Аристотель догадался, что звук – это колебания, и что он расходится кругами. Много веков спустя ученые задумались о том, какова скорость звука. Это оказалась трудная задачка, с ней не справились великие Ньютон, Эйлер и Лагранж. И только Пьеру-Симону де Лапласу удалось первому найти правильное решение – он стал победителем в этом негласном турнире! Поэтому предложенную им формулу для вычисления скорости звука в воздухе принято называть «лапласовой скоростью звука». Самой большой наградой для ученого является название открытия, которое он сделал, его именем.
Иногда для открытий требуется много времени, терпения и труда. Именно благодаря этому сегодня акустики знают очень много о звуке, от том, как мы его слышим, и как его использовать, и даже как с ним бороться. Ведь не всегда звуки бывают приятными: неприятные и мешающие звуки мы называем шумом. Есть много способов снизить шум и сделать нашу жизнь более комфортной.
И все-таки, в акустике еще есть много вопросов, требующих изучения. Но только самые любопытные и самые трудолюбивые смогут найти на них ответы.