Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

Претор-Пинни Гэвин

Так почему, поинтересовался я, раскат грома воспринимается нами как мощный, оглушительный треск (по крайней мере, вблизи)? Профессор ответил, что частично это происходит потому, что «молния, которую мы видим, на деле представляет собой множество разрядов». Множественные ударные волны следуют одна за другой с очень небольшим интервалом, поэтому звук усиливается. То же самое происходит и тогда, когда «гром образуется по всей длине вспышки молнии, которая обычно растягивается на несколько километров». Получается, что ударные волны образуются в разных точках разветвленной молнии — более удаленные волны достигают ваших ушей позже, чем более близкие. Оба эти фактора означают следующее: вместо щелчка электрического разряда одной ударной волны вы слышите треск множества волн, соединенных вместе.

Кроме резко выраженных фронтов громыхающие волны давления обладают еще одним свойством — распространяются быстрее, чем обычные звуковые волны. При этом они подчиняются правилу ударных волн: более интенсивные, звучащие громче, распространяются

быстрее, чем менее интенсивные, звучащие тише. Как объяснил Крамер, это одна из причин того, почему грозу за многие километры от нас мы слышим как глухие раскаты, а не как звонкий треск. «Скорость распространения волны зависит от амплитуды», — сказал профессор. Амплитуда же — один из способов описания интенсивности, то есть мощности волны давления. «Получается, что разные части волны распространяются с разной скоростью, вызывая искажение этой самой волны», — продолжал профессор. Это искажение, как я узнал, и объясняет изменение звучания грома по мере того, как мы удаляемся или приближаемся к источнику громовых раскатов.

Взрыв, вызванный бомбой или резким расширением воздуха вдоль вспышки молнии, порождает волны самых разных частот и интенсивности — звуки пронзительные и гулкие, громкие и тихие. Эти волны смешиваются. Непосредственно возле вспышки ударные волны давления соединяются в оглушительный треск. Чем дальше от вспышки, тем сильнее звучание рассеивается. Поскольку более громкие и интенсивные ударные волны распространяются быстрее, они вырываются вперед. Таким образом, последовательность ударных волн вытягивается на протяжении всего расстояния, на которое они распространяются, звук при этом обретает глубину. Можно привести аналогию со стуком палки, которой вы ведете вдоль железной ограды: если вы ведете палкой быстро, удары сливаются в высокий звук, если медленно — в звук более низкий. Сами удары и в том, и в другом случае звучат одинаково, однако мы слышим их общее звучание как более высокое или более низкое, в зависимости от того, насколько короткий между ними временной интервал. Подобное вытягивание последовательности ударных волн является одной из причин того, почему раскаты грома в зависимости от удаленности воспринимаются совершенно по-разному. [40]

40

Другая причина заключается в том, что с расстоянием все большая часть громового раската отражается от зданий и естественных препятствий, вызывая реверберацию. К тому же высокочастотные звуки ослабевают быстрее, чем низкочастотные, поэтому с расстоянием, которое ударные волны проходят от бушующей вдали грозы до вас, все большая часть высоких звуков гаснет.

* * *

К счастью, чтобы прочувствовать ударную волну на себе, вам совсем не обязательно находиться вблизи от разрывающегося снаряда или молнии. Вы сами в состоянии ее породить — когда, сгруппировавшись, «бомбочкой» ныряете в бассейн. Громкий всплеск воды при вашем ударе о водную поверхность представляет собой нечто вроде громового разряда вдоль вспышки молнии, только в воде.

Вообще-то, пловцов, участвующих в соревнованиях, большими поклонниками ударных волн не назовешь. Спортсмены всеми силами стараются избежать встречи с ними, поскольку это пустая трата энергии. Вот почему вы никогда не увидите, как они лихо ныряют «бомбочкой», когда стартовый пистолет дает команду к заплыву на дистанцию в 200 м кролем на груди. (Хотя я с удовольствием посмотрел бы.) Наоборот, спортсмены стараются минимизировать всплеск на входе в воду, вытягивая руки в одну линию с телом, таким образом снижая сопротивление воды, а вместе с ним — образующиеся при всплеске ударные волны. Сокращение ударной волны ведет к сокращению потери энергии в воде. Однако в воде пловцов подстерегает другая столь же неприятная ударная волна — головная волна. Она возникает как раз перед головой отчаянно гребущего спортсмена.

^{Представляете, каким грохотом сопровождаются эти ударные волны?}

Головная волна, говорите? А где же сильный удар и грохот, где всплеск, обыкновенный для ударной волны? Вообще, самыми очевидными источниками ударных волн считаются взрывы. Но они — не единственные: ударные волны порождаются и головными волнами, расходящимися спереди от двигающегося объекта — пловца, лодки на воде или даже объекта в воздушной среде, — пока этот объект двигается через среду с достаточной скоростью. Головные волны перерастают в ударные лишь в том случае, когда объект идет со скоростью не ниже обычной скорости распространения через данную среду волн — тогда они не успевают убраться с дороги и начинают толпиться, тесня друг дружку.

Если головная волна от пловца кажется вам для ударной волны слишком кроткой, что вы скажете по поводу других ударных волн — сверхзвукового хлопка в момент перехода самолета на сверхзвуковую скорость?

Это еще один пример ударной волны, но только в воздухе (мы слышим ее как звук), а не на поверхности воды. Однако принцип один и тот же. В небе самолет порождает волны давления спереди и сзади от

себя, поскольку вызывает смещение воздушной среды — она вынуждена быстро смещаться перед самолетом и быстро возвращаться на первоначальное место позади него. Эти резкие перемещения воздуха вызывают перепады атмосферного давления, распространяющиеся вокруг самолета как волны давления. Волны давления идут в виде сферических слоев; некоторые расходятся от носа самолета, другие — от его хвоста. Они образуются независимо от скорости самолета. Хотя мы часто воспринимаем волны давления как звук, те, что расходятся от самолета, мы не слышим — рев двигателей стальной птицы их заглушает. Если только, конечно, самолет не летит со скоростью звука или быстрее — в таком случае мы попросту обречены на то, чтобы их услышать.

^{Формирование ударной волны при полете со скоростью звука}

Когда сверхзвуковой самолет разгоняется до скорости звука — величины, обозначаемой числом Маха, равным 1, [41] — он двигается с той же скоростью, что и порождаемые им волны давления. Получается, волны у конического носа самолета не могут обогнать сам самолет — их скорости равны. Поэтому они громоздятся друг на друга — каждый пик давления накладывается на предыдущий. В итоге образуется головная волна огромной мощности. Когда самолет выходит на скорость звука, волны давления совмещаются, образуя головную ударную волну. Резко образовавшаяся ударная волна возросшего атмосферного давления растягивается перед носом самолета — головная волна при этом движется вместе с самолетом на скорости звука. Ударная волна упавшего атмосферного давления, — на самом деле не что иное, как кормовая корабельная волна, — идет от хвоста.

41

Причина, по которой мы пользуемся для обозначения скорости числами Маха, равными 1 и 2, заключается в том, что на деле скорость звука изменяется в зависимости от температуры воздуха. При 0° С число Маха, равное 1, составляет около 1 190 км/ч, в то время как при —20° С — около 1 149 км/ч.

С земли взрывоподобные звуки слышны, когда пронзительно воющий самолет проносится, сопровождаемый ударными волнами высокого и низкого давления. За волной спереди тут же следует волна сзади (обычно оба «хлопка» разделяются слишком незначительным временным интервалом, чтобы их различить как отдельные звуки, если только самолет не летит высоко). Однако для пилота все выглядит иначе — развивая скорость, равную 1 Маха, он никогда не слышит «хлопка», поскольку фронт ударной волны всегда остается чуть впереди носа самолета. Пилот слышит «хлопок» ударной волны только тогда, когда форсирует скорость звука, то есть преодолевает звуковой барьер, который представляет собой всего-навсего ударную волну высокого давления впереди конусообразного носа. О барьере говорят потому, что необходимо значительное усиление тяги, чтобы пройти через эту область повышенного давления. Если скорость звука в воздушной среде, через которую идет самолет, равна 1 190 км/ч, увеличение тяги с 1 190 км/ч до 1 207 км/ч требует гораздо больших усилий, чем увеличение с 1 175 км/ч до 1 190 км/ч, поскольку в таком случае самолет идет со сверхзвуковой скоростью, превышая число Маха, равное 1, и вырывается за область высокого давления, являющуюся фронтом ударной волны. Когда пилот прорывается через звуковой барьер, область высокого давления проходит над кабиной — он слышит «хлопок».

^{Когда скорость самолета превышает скорость звука, фронт ударной волны из плоского диска становится конусообразным}

С увеличением скорости (выше 1 Маха) расположение фронта ударной волны меняется. На скорости в 1 Мах фронт вытягивается перед самолетом наподобие гигантской «тарелки» высокого давления, прижатой к носу самолета; такая же «тарелка», только низкого давления, прижата к хвосту. При прорыве самолета через звуковой барьер обе «тарелки» преобразуются в конусы, тянущиеся от носа и хвоста самолета назад. На скорости в 2 Маха, в два раза превышающей скорость звука, эти конусы ударных волн принимают положение под углом в 45°. Если бы сверхзвуковой самолет несся с такой скоростью у вас над головой, вы услышали бы сверхзвуковой хлопок уже после того, как он пролетел над вами — конусы ударных волн дошли бы до вас с опозданием.

Когда воздух (или любая другая газообразная среда) сжимается, он нагревается, а когда расширяется — охлаждается. Вот почему порождаемая сверхзвуковым самолетом ударная волна иногда бывает видима как призрачное, неустойчивое облако — оно называется «воротником» или «яйцом» ударной волны. Поскольку за высоким давлением фронта ударной волны сразу следует область низкого давления, такое резкое снижение давления может охладить воздух — содержащийся в нем водяной пар тут же превращается в облако капелек. В зависимости от скорости, это сверхзвуковое облако принимает форму либо диска (на скорости в 1 Мах), либо конуса (на скорости, превышающей 1 Мах), «насаженного» на фюзеляж самолета.