Как войти в резонанс?
В фильмах о выдающихся певцах был популярен такой эпизод. Набрав полные легкие воздуха, артист выдавал такую громкую ноту, что начинала звенеть посуда или стеклянная люстра. Отчего же голосом можно заставить звучать какие-то предметы на расстоянии?
Когда этот вопрос заинтересовал ученых, они выяснили, что энергия, переносимая обычным звуком, весьма мала. Тем не менее, как показывают опыты, даже негромкий звук может «включить» и другие его источники. Наверняка вы видели камертон — такую металлическую рогатку. Им пользуются настройщики музыкальных инструментов. Каждый из них сделан так, что может колебаться со строго определенной частотой. И если сильно ударить по всем клавишам рояля, то какая-нибудь из струн заставит звучать и отдельно стоящий камертон.
Еще пример. Два одинаковых (с одной частотой) камертона также будут передавать один другому звуковую энергию. Почему же так происходит? Вспомним, как легкими толчками мы можем заметно раскачать качели. Или как усиливает звучание приемник, настроенный на определенную волну. Это — случаи механического и электрического резонанса. Мы же сейчас имеем дело с резонансом звуковым, акустическим.
Все эти примеры объединяет одно — энергия к качелям, к приемнику, к камертону передается небольшими порциями, но так, что словно подхлестывает колеблющуюся систему. Еще говорят — колеблются в фазе. Можно сказать и так: своя собственная, внутренняя частота того же камертона, с которой он сам «хотел» бы колебаться, совпадает с внешней частотой, с какой пришла к нему звуковая волна. Или еще: вошли в резонанс.
Эрнст Хладни (1756–1827) — немецкий физик. Основоположник экспериментальной акустики. Открыл продольные колебания струн, стержней, пластин, камертонов, колоколов. Описал «акустические фигуры», возникающие на колеблющейся пластине, посыпанной песком. Первым провел точные измерения скорости звука в различных газах, доказал, что в твердых телах звук распространяется с конечной скоростью. Объяснил эхо, на опыте определил верхний порог слышимости звука. Изобретал музыкальные инструменты.
Тогда ясно, почему иногда неожиданно начинают вибрировать или дребезжать какие-либо предметы. Их привел в колебание донесшийся откуда-то звук, вызвавший резонанс. Это и произошло в случае с певцом.
Как «законсервировать» звук?
А как записывается, скажем, наш голос? Это ведь тоже одно из самых давних желаний человека — сохранить звук. Как, к примеру, звучал голос Цицерона? Как пели наши далекие предки? Увы, записывать и воспроизводить звук люди научились не столь давно.
Первый фонограф — прибор, служащий именно для этой цели, — был изобретен Томасом Эдисоном в 1877 году.
Томас Эдисон (1847–1931) — американский изобретатель. Запатентовал более 1000 изобретений. Придумал фонограф — прибор, записывающий и воспроизводящий звук. Усовершенствовал телефон, устранив в звучании голоса посторонние шумы, что позволило удлинить телефонную связь. Впервые построил «электричку», сверхмощные электрогенераторы, запустил тепловую электростанцию, изобрел аккумуляторы, железнодорожный тормоз, систему электрического освещения и многое-многое другое.
Представлял он собой валик, на который колеблющейся в такт со звуком иглой наносилась бороздка. Можете себе представить, каким по качеству был этот звук? Однако именно благодаря фонографу сохранился для потомков голос Льва Толстого.
Затем придумали граммофон, в переносном варианте его называли патефоном. Поначалу это были довольно громоздкие аппараты с большим рупором и ручкой, которой его «заводили», будто часы. Главное — на нем можно было проигрывать пластинки. Звуковая дорожка наносится иглой на пластинку по спирали. А материалом для пластинок служат пластмассы.
Вид пластинки сохранился до сих пор, а вот граммофоны лет 40 назад стали вытесняться электропроигрывателями, где роль механического завода взял на себя электромотор, а рупора — динамик.
Не успели распространиться эти устройства, как их стал теснить магнитофон. На пленку, прокручиваемую в нем, заносилась информация в виде пульсаций магнитного поля, идущих в такт со звуковыми колебаниями. Особенность такой записи заключалась в том, что ее «запоминали» магнитные частички в пленке. Их можно было не только упорядочить в соответствии со звуком, но и размагнитить — то есть стереть информацию.
Ныне для записи и хранения звука используют и свет. Вы, конечно же, слышали о лазерных дисках. Звуковая информация, переложенная на язык света, так нежно и аккуратно наносится и считывается с дисков лазером, что может воспроизводиться бессчетное количество раз.
Игры с небесной хлопушкой
Что за взрывы раздаются порой наверху? Взрослые вам пояснят, что это реактивный самолет перешел «звуковой барьер». И правда, в это время можно иногда заметить высоко-высоко в небе белый след самолета с маленькой точкой в начале. Но неужели самолету действительно приходится через что-то там перепрыгивать, как спортсмену в барьерном беге?
Разумеется, никаких барьеров в небе нет. Но самолету и впрямь необходимо преодолеть препятствие. Возникает оно в тех случаях, когда он движется со скоростью, приближающейся к скорости звука в воздухе. На высоте в 11 километров она равна 1000 километров в час. Получается, что звук, испускаемый двигателем самолета, не успевает «отбежать» от него. Уплотнения воздуха как бы накладываются друг на друга, самолет словно спрессовывает их.
Развив скорость больше скорости звука, самолет будто прорывает, прокалывает этот скачок уплотнения. Образуется так называемая ударная волна, бьющая по корпусу самолета. А до нас эта волна доходит в виде хлопка от громкого взрыва.
Ученые и конструкторы изучили особенности прохождения через «звуковой барьер». Они смогли рассчитать необходимый запас прочности для самолета и нужную для него в этих случаях форму. Сейчас скорость, достигающая величины в 3 раза большей скорости звука, доступна серийным самолетам. Однако авиация уже стоит на пороге создания самолетов, летящих быстрее звука раз в 10. Это — область гиперзвуковых скоростей.
Мир света
Что самое первое, с чем сталкивается только что родившийся человек? Конечно, на него навалилась масса новых впечатлений — и холодно ему стало, и шумно вокруг, и запахло чем-то. Но, может быть, самое главное — это хлынувший в глаза поток света, который сразу заставляет его жмуриться.
