Физика без формул

«Ау, кашалот, откликнись!»

Молчат ли морские глубины? Конечно, если вы ныряли в реке, когда не очень далеко движется теплоход или моторная лодка, звук их двигателей отчетливо слышен. А вот ныряя в море, в тихой бухте, вы замечали — словно уши заложило ватой. Подводное безмолвие… Не обманчиво ли оно?

Наше ухо все-таки не слишком приспособлено к тому, чтобы хорошо слышать под водой. Однако с помощью приборов, называемых гидрофонами, океанологи уловили невероятно разноголосый шум, царящий под водой. Можно различить и звуки отдаленного шторма, и «болтовню» рыбок, и щелкание клешнями креветок.

Недавно в морской пучине обнаружили интересное явление. Во всех океанах на глубине в несколько сот метров расположен звукопроводящий слой. Это что-то вроде переговорной трубки, внутри которой звук, отражаясь от стенок, может распространяться довольно далеко, не очень затухая. Но от чего отражается звук в воде?

Вода на разных глубинах обладает различной плотностью. Вот эти перепады плотности и создают для звука невидимую отражающую стенку. Попав в звукопроводящий слой, или волновод, можно услышать голоса, идущие буквально с другого конца света, то бишь океана. Вероятно, люди научатся использовать этот слой, чтобы слышать гул от далеких подводных землетрясений, то есть заранее получать сведения о приближении цунами.

Есть предположение, что этим слоем давно пользуются… киты. Действительно, как могут они находить друг друга за тысячи километров? Возможно, умея нырять на большую глубину, они «переговариваются» и сообщают сородичам о своем положении по океанскому волноводу.

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.