Люди живут в мире звуков. С точки зрения физики звук – это механическая волна, которая возникает в результате колебания. Она распространяется в воздухе и воздействует на нашу барабанную перепонку, и мы слышим звук. Энергия, заключенная в нем, измеряется в децибелах (дБ). Шорох листьев – 10 дБ, шепот – до 30 дБ, громкая рок-музыка – 110 дБ. Самое шумное в мире животное – голубой кит. Он издает звук громкостью 188 дБ, который слышен в радиусе 850 км от него.
Когда звук встречает преграду на пути, то часть звука отражается от нее и возвращается обратно. И тогда мы слышим отраженный звук – всем известное эхо. На реке Рейн в Европе есть место, где эхо отражается 20 раз. И в горах оно хорошо «работает». Там даже (при определенных условиях) обыкновенный крик может вызвать ошеломительный сход лавины.
В общем, звук – это сила. А можно ли его увидеть? Попробуем разобраться, устроив этот простой домашний опыт для детей.
Эксперимент для детей
1. Надо взять металлическую миску. Затем – отрезать от полиэтиленового пакета кусок, по размеру больший, чем миска. Положить эту заготовку из пакета на миску и завязать веревкой или зафиксировать большой прочной резинкой сверху. Получится «барабан».
2. Скатать из салфеток маленькие шарики и положить сверху на поверхность «барабана».
3. Поставить миску вплотную к музыкальному центру (либо магнитофону или колонкам от компьютера). Включить музыку.
4. Шарики начнут подпрыгивать, словно танцевать.
Объяснение эксперимента для детей
Звук из колонки волной проходит по воздуху и бьет по натянутой пленке, которая колеблется, и бумажные шарики подскакивают вверх. Чем громче звук, тем сильнее подскакивают шарики. Но заметьте, тем и дискомфортнее вашим ушам, которые воспринимают звуковую волну.
Оглушительно гудя, проносится мимо нас тепловоз. И тотчас тон гудка становится ниже. Если источник звука приближается к нам, то до наших ушей в течение 1 секунды доходит колебаний больше, чем в том случае, когда источник неподвижен. Если же источник звука удаляется, число колебаний звука, воспринимаемых нами, уменьшается. Это явление называется эффектом Допплера. Хотите проверить, как движение звучащего тела сказывается на его звучании? Возьмите игрушечную свистульку и вставьте ее в резиновую трубку длиной 80-100 см. Держите трубку неподвижно и дуйте в нее. Вы услышите ровное звучание свистка. Не прекращая дуть, начинайте вращать трубку. Высота тона свистка будет то повышаться, то понижаться и тем заметнее и чаще, чем быстрее вы крутите трубку.
Свирель Пана
Имея полоску гофрированного картона и 8 трубочек - стеклянных, деревянных или металлических,- легко сделать так называемую свирель Пана. (Пан - древнегреческий бог лесов.) Длину трубок надо подобрать так, чтобы звуки, производимые ими, составили полную октаву. Самая длинная трубка даст самое низкое по тону звучание.
Укрепите 50-сантиметровую железную проволоку поперек 2 деревянных подставок, как показано на рисунке. Железный болт, обмотанный несколькими сотнями витков звонкового провода, будет электромагнитом. Включите его обмотку в сеть переменного тока последовательно с электрической плиткой и начинайте натягивать проволоку, вращая гвоздь (см. рисунок). Когда натяжение достигнет некоторой величины, проволока начнет сильно вибрировать. Это произойдет тогда, когда собственная частота колебаний проволоки станет равной частоте колебаний переменного тока. Проволока будет резонировать с пульсациями тока.
При использовании нужного оборудования звуковые волны могут стать довольно странными и прекрасными. В нашей повседневной жизни мы воспринимаем шум как нечто само собой разумеющееся, полагая, будто это всего лишь куча частот, сплетаемых вместе, даже если он звучит как музыка.
Но верите или нет, звук скрывает от нас много секретов! Постепенно наука открывает новые технологические нюансы и обнаруживает неожиданные возможности звуковых волн. Вот пять захватывающих экспериментов со звуком.
Обладает ли слухом наша зрительная система?
Был проведен эксперимент, в ходе которого выявилась реакция обезьян на яркие и тусклые кнопки. Обезьяны могли легко определить яркие кнопки, но тусклые стали для них проблемой, пока ученые не присоединили быстрое звуковое сопровождение к тусклым пятнам. По-видимому, звук действительно помогает нам воспринимать предмет визуально. В каком-то смысле этот опыт взорвал умы нейробиологов.
Новый способ осуществления анализа крови
Анализ крови на сегодняшний день занимает достаточно много времени. Образцы взятого для исследования биологического материала могут быть повреждены, а также существует риск заражения.
Но не бойтесь, наука о звуках спешит на помощь! Теперь можно осуществить анализ крови с использованием звука. Эта новая экспериментальная технология, как говорят, позволяет сделать анализ намного быстрее и при этом получить более точные результаты.
Как это возможно? Когда врачи начинают определять, что с пациентом не так, им нужно опираться на экзосомы. Эти крошечные частички несут нагрузку полезной информации о состоянии нашего тела. Таким образом, новый анализатор крови отделяет экзосомы при помощи звуков, используя различные частоты. Этот метод дешевле, быстрее, надежнее и может стать портативным решением, доступным для всех.
Акустическая левитация
Наука утверждает, что гравитацию можно преодолеть! Три года назад ученые из шотландского университета обнаружили, что можно поднять объект в воздух, используя звуковую перкуссию. Давление звуковой волны создает силу, проходящую через землю, воду или в данном конкретном случае — воздух. Естественно, этот принцип может быть использован для обеспечения левитации.
Но все это не выглядит как длительный случайный шум. Для того чтобы сократить силу притяжения, волны должны генерироваться строго в определенном порядке. Разные показатели давления необходимо задать одновременно, чтобы сохранить объект неподвижным или заставить его двигаться. Для этого требуется невероятно сложная математика.
В своем опыте шотландские ученые заставили висеть в воздухе крошечные шары. И это потрясающе!
Звуковой огнетушитель
Существует способ использовать звук для тушения пожаров. В основе этого процесса лежит отсеивание кислорода с низкими частотами от 30 до 60 герц, что создает небольшой вакуумный карман. Нет кислорода — нет огня. На данный момент эта технология — всего лишь лабораторный проект, но как только это открытие найдет должное применение, человечество непременно узнает об этом.
Может ли повлиять звук на вкусовые ощущения?
Оказывается, помимо тушения пожаров, низкочастотные звуки способны вызвать горький вкус при приеме пищи. Если же использовать звуки высокой частоты, то они могут сделать вашу еду немного слаще. Точные причины пока неизвестны, но это факт. Это явление не взаимодействует с вашими вкусовыми рецепторами, но импульсы поступают прямо в мозг.
Высокие или низкие ноты в основном дают возможность мозгу сосредоточиться больше на сладости или горечи вашего обеда. И случайный шум может также испортить вкус вашего обеда, если он выше определенного уровня децибел. В этом случае люди с меньшей вероятностью будут ощущать соленость и сладость.
С точки зрения физики, звук — это механическое колебание, распространяющееся в среде.
Опыт 1
Как частота возникающего звука зависит от длины колеблющегося тела?
Положите гибкую пластиковую или металлическую линейку на стол так, чтобы она примерно на три четверти выступала за край стола.
Крепко прижмите рукой один край линейки к столу. Другой рукой отогните свободный край линейки вниз и отпустите его.
Послушайте, какой звук при этом возникнет, и обратите внимание на то, как быстро колеблется свободный конец линейки.
Поставьте стакан без дна на динамик. Включите радио на небольшую громкость и найдите в эфире радиопомехи. Вы услышите постоянный звук одного тона. Определите, в каком положении должен находиться регулятор громкости в случае тихого, среднего и громкого звука. Выключите радио и положите одно зерно риса на центральный квадратик вощеной бумаги (на X).
Включите радио и поставьте громкость на тихий звук. Проследите за всеми движениями зерна риса из центрального квадратика.
Повторите ваш опыт со средним и громким звуком.
Оцените зависимость между громкостью и энергией звуковой волны.
Опыт 4
Звук может распространяться в твердом, жидком или газообразном веществе.
Как сравнить эффективность распространения звука в газе и твердом веществе?
Возьмите обычные наручные часы.
Вначале держите часы на расстоянии вытянутой руки. Медленно подносите часы к уху до тех пор, пока не услышите первое слабое тиканье. В этом положении измерьте расстояние от часов до уха.
Затем прижмите ухо к столу и положите часы на стол на расстоянии вытянутой руки от уха. Послушайте, не будет ли слышно тиканья часов. Если вы услышите тиканье в этом положении, попросите вашего помощника медленно отодвинуть часы подальше, пока тиканье не станет слабым.
Если же вы не услышите тиканья часов на расстоянии вытянутой руки, медленно придвигайте к себе часы и найдите положение, в котором они будут слышны. Измерьте расстояние от часов до уха и сравните его с тем расстоянием, на котором вы смогли услышать слабое тиканье часов, прислушиваясь к ним в воздухе.
Опыт 5
Как распространяется звук в воде?
Возьмите обычные наручные часы, поместите их в целый пластиковый пакет, туго завяжите пакет, чтобы не проникла вода. Привяжите к мешку веревку и опустите его в аквариум с водой.
Мешок с часами должен находиться на середине расстояния между дном и поверхностью воды, поблизости от стенки аквариума. Прижмите ухо к противоположной стенке аквариума.
Если вы услышите тиканье часов, измерьте расстояние до них. Если нет, попросите вашего помощника двигать часы в вашу сторону до тех пор, когда вы сможете услышать тиканье, Измерьте это расстояние. Сравните это расстояние с теми, которые вы получили в предыдущем опыте.
Вы посмотрели «Опыты со звуком» в серии «Музыкальная шкатулка»? Попробовали самостоятельно сделать «музыкальные инструменты» из линейки или веревки?
Давайте вместе попробуем провести еще несколько опытов со звуком.
«Ксилофон» из бутылок
Возьмем несколько пустых одинаковых бутылок (лучше стеклянных), выстроим их в ряд и начнем наполнять водой. В первую нальем совсем немного воды, в следующую – побольше, в третью – еще больше - так, чтобы последнюю наполнить почти доверху. Теперь начнем ударять по бутылкам ложкой или палочкой (осторожно, не разбейте!) Слышите – звуки тоже получаются разной высоты? У нас есть еще один собственный музыкальный инструмент. Можно даже попробовать сыграть на нем какую-нибудь мелодию.
Звучащий стакан
Возьмите пластмассовый стакан и круглую резинку (можно такую, которую используют, чтобы перевязывать пачки денег). Натяните резинку на стакан, как показано на рисунке.
Приложите стакан дном к уху. Побренчите натянутой резинкой как струной. Правда, получилось намного громче, чем мы ожидали?
Самодельный телефон
А знаете, как можно самим сделать самый простой «телефон» для двоих человек? Конечно, с настоящим телефоном его сравнить нельзя, но на небольшом расстоянии он будет все же отлично передавать звуки.
Возьмите два картонных стаканчика. Проткните их донышки в центре, проденьте сквозь них тонкий крепкий шнур или веревку. Концы шнура закрепите внутри стаканов, привязав к каждому короткую палочку. Чем длиннее шнур, тем лучше – если удастся найти, можно взять веревку длиной даже более 20 метров.
Участники разговора берут стаканы и расходятся, насколько позволяет шнур. Только учтите – нужно разойтись так, чтобы веревка как следует натянулась. Звук хорошо проводится шнуром только тогда, когда шнур натянут.
Теперь, если один из участников будет говорить в стакан, а другой приставит свой стаканчик к уху, то даже тихо произносимые слова будут отлично слышны
Можно сделать и еще проще – вместо стаканчиков использовать спичечные коробки, а вместо шнура – обычную нитку (закрепляем ее внутри коробков, привязав к концам спички). Не забудьте – нитка тоже должна быть туго натянута и не должна касаться каких-то предметов, в том числе пальцев, которыми мы держим коробки. Если прижать нитку пальцем, разговор прекратится.
Для самых любознательных
Почему это происходит? Почему мы слышим звуки и как они передаются?
Наше ухо - очень непростой инструмент. В нем есть тонкая-тонкая туго натянутая кожица –«барабанная перепонка». Малейший толчок воздуха вызывает колебание этой перепонки – и оно воспринимается нами как звук.
Но каким образом мы слышим, например, выстрел из пушки при салюте – ведь она стреляет на расстоянии нескольких километров от нас? Как и каким путем звук достигает уха? Почему мы слышим звук от выстрела лишь через некоторое время после того, как он произведен? Почему, наконец, выстрел вблизи слышен громче, чем отдаленный?
Пространство между предметами, находящимися на поверхности земли, не пустое. Оно заполнено смесью прозрачных газов – воздухом. Воздух состоит из бесчисленного множества мельчайших частиц газов, таких крошечных, что их невозможно рассмотреть в самый сильный микроскоп. И все это бесчисленное множество частиц газа заполняет пространство между источником звука и нашим ухом.
Это можно сравнить с площадью, плотно заполненной людьми. Представьте, что каждый человек - это мельчайшая частица воздуха. Допустим, что через эту толпу необходимо передать какое-то поручение – от человека в одном конце площади к человеку, который стоит на противоположном ее конце. Первый с краю передаст это поручение соседу, тот в свою очередь – следующему, и таким образом поручение придет по назначению.
То же самое происходит и между источником звука и нашим ухом. Звучащий предмет создает колебания (звуковые волны). Они дают толчок ближайшим частицам воздуха, эти частицы толкают следующие… Постепенно передаваясь от частицы к частице во все стороны, звуковые колебания достигают барабанной перепонки нашего уха. Как только они до него доберутся, мы и услышим звук.
А почему на большом расстоянии звук ослабевает – и чем дальше мы от источника звука, тем хуже его слышим? Частички воздуха хорошо передают толчок, но постепенно он все больше и больше ослабевает в пути. Ведь каждая частичка воздуха толкает звук не в одну сторону – а сразу по всем направлениям (отдавая силу нескольким «соседям в толпе» одновременно). Сила толчка, переданного каждому отдельному соседу, становится все слабее и слабее. Вот почему сила звука уменьшается по мере нашего удаления от его источника.
Но звук умеет распространяться не только через воздух, но и через все газообразные, жидкие и твердые тела. Только скорость распространения и сила звука при этом не одни и те же. Через некоторые газы и через все жидкие и твердые тела звук распространяется скорее, чем через воздух. Поэтому в нашем опыте с резинкой на стакане или самодельным телефоном мы и слышим звук лучше, чем если бы он передавался просто по воздуху.
