Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
Шрифт:
В жидкостях звук перемещается еще быстрее, нежели в газообразных средах. На первый взгляд, такое утверждение противоречит здравому смыслу, ведь вода должна оказывать большее сопротивление, нежели воздух. Однако сопротивление возникает только в том случае, когда через водную среду продвигается отдельный предмет, искажая ее по мере продвижения. В случае же со звуковыми волнами все происходит иначе. Когда звук распространяется через среду, его продвижение обусловлено собственными колебаниями этой самой среды. Одни молекулы сталкиваются с другими, другие — с третьими и так далее. Поскольку плотность расположения молекул в жидкости выше плотности расположения молекул в газе, колебания — а это и есть звуковые волны — перемещаются быстрее в жидкости.
Например,
Большинство твердых тел, у которых связи между молекулами довольно прочные, подвержены сжатию еще меньше, чем жидкости. Благодаря этим прочным связям разница в давлении передается из одной части твердого тела в другую еще быстрее, чем в жидкости. Чем прочнее структура вещества, тем звуковые волны распространяются быстрее: до 11 667 км/ч в золоте и до немыслимых 43 199 км/ч в алмазе.
Но какое отношение все эти запредельные скорости имеют к тому, каким образом звуковые волны «меняют направление движения, переходя из одной среды в другую»? А такое — волны меняют направление при смене скорости. Если волна достигает границы разных сред под непрямым углом, конец звукового луча, достигающий границы первым, меняет скорость на входе в новую среду раньше остальной части луча. В новой среде он либо ускоряется, либо замедляется, но в любом случае направление распространения волны становится другим.
Чтобы убедиться в этом на наглядном примере, вообразим ситуацию: посреди пустыни терпит крушение космический корабль. Из корабля выбирается группа пришельцев и отправляется на поиски ближайшего «Макдоналдса». После удара корабля о землю пришельцы, ясное дело, немного не в себе, более того — они плохо видят, потому что привыкли у себя на родной планете к другой длине световой волны. И вот пришельцы берутся за руки, вернее, присоски (или что там у них вместо рук), и, растянувшись цепочкой, ковыляют по прямой, стараясь не слишком привлекать внимание.
Увязающим в песке пришельцам идти по твердой поверхности гораздо сподручнее, и когда они, наконец, выбираются к дороге, первый же ступающий на нее зеленый человечек с непривычки чуть ускоряется. Поскольку они подходят к асфальту под непрямым углом, то оказываются на нем кто раньше, кто позже. Те человечки, которые оказываются на асфальте первыми, начинают идти быстрее, в то время как остальные все еще еле переставляют ноги-присоски, увязая в песке. Так как группа держится друг за друга руками-присосками, вся их цепь слегка скругляется — выходя на асфальт в полном составе, они передвигаются уже в несколько ином направлении. Конечно, сами пришельцы этого не замечают — они в это время с жаром спорят, выясняя, кто же не нажал вовремя на тормоз. Когда они сходят с асфальта снова на песок, происходит обратное — тот, кто оказывается на песке первым, замедляет шаг, утягивая своих товарищей уже в обратную сторону. Как только все пришельцы оказываются на песке, они продолжают двигаться в изначальном, рассчитанном по компасу направлении.
Таков принцип рефракции. В случае со звуковыми волнами приближающаяся
Вы заметили, что в тумане звук распространяется дальше? К примеру, вы отчетливо слышите отдаленный смех. Или колокольный звон, который обычно до вас не доносится. Мне всегда нравилось прогуливаться в тумане — когда при этом слышишь звуки, кажется, что они долетают из потустороннего мира. На самом деле причина не в самом тумане — висящие в воздухе крошечные капельки воды слишком малы, чтобы влиять на звук. Влияет на него температура воздуха возле поверхности земли, которая и приводит к образованию тумана; именно благодаря ей перезвон церковных колоколов разносится далеко по округе.
Температура воздуха в процессе подъема меняется, что сказывается на отражении звуковых волн — через теплый воздух они распространяются быстрее, нежели через холодный. Обычно с набором высоты температура понижается, из-за чего звуковые волны отражаются вверх, уходя от земли по кривой траектории. Поскольку звуковая волна колокольного звона искривляется вверх, она в конце концов поднимается так высоко, что звона больше не слышно. Туман образуется при обратной температурной норме — когда воздух у поверхности земли прохладнее, чем на высоте. Данный феномен называется температурной инверсией; в тумане звуковые волны искривляются вниз, по направлению к земле, а не по направлению к атмосфере.
Инверсия нормальных температур происходит в том случае, когда воздух у поверхности земли в безоблачную зимнюю ночь охлаждается, а земля при этом быстро отдает накопленное за день тепло. Или же когда поток воздуха проходит над особенно холодным озером или океаническим течением. Но какова бы ни была причина тумана, температурная разница вынуждает звук распространяться через прохладный воздух у поверхности земли с меньшей скоростью, нежели через более теплый воздух верхних слоев атмосферы. Именно благодаря этой местной температурной инверсии звуковые волны устремляются не от земли, а к земле. Звук «обнимает» землю, в результате чего колокола слышны гораздо дальше, чем при обычной погоде.
Вы можете подумать, что на самом деле Второй закон волны никакого отношения к распространяющимся через воздух звуковым волнам не имеет — волны ведь не пересекают границу, «переходя из одной среды в другую». Однако для изменения направления волнам необходимо всего-навсего изменить скорость. А для этого достаточно плавной смены характеристик среды, в которой они находятся, например, изменения температуры воздуха. Скорость волн при таком условии меняется, и нет необходимости ни в резкой границе между средами, ни в наличии принципиально иной среды.