Бруно Донат - Физика в играх

О скорости распространения звука.Толчок, данный ближайшим частицам воздуха, постепенно передается во все стороны, и как человеку нужно некоторое время для того, чтобы передать поручение соседу, так и на передачу звуковых колебаний от одной частицы воздуха к следующей уходит некоторое время. Найдено, что звук распространяется в воздухе со скоростью приблизительно 333 метров в секунду.

Вам, может быть, интересно, как измеряют скорость звука? Это можно сделать различными способами.

Один из способов состоит в следующем.

Если на каком-нибудь большом расстоянии следить за выстрелом ружья или пушки, можно заметить, что мы значительно раньше видим огонь из дула, чем слышим звук выстрела. Это значит, что свет проходит гораздо большее расстояние в секунду, чем звук. Скорость света во столько раз превосходит скорость звука, во сколько примерно скорость курьерского поезда превосходит скорость движения часовой стрелки по циферблату. Поэтому мы можем считать, что выстрел произошел в то самое мгновение, когда глаз воспринял свет пламени из дула. Звук заставляет себя ждать и будет услышан тем позднее, чем больше расстояние между пушкой и нами. Если расстояние известно, то простое измерение промежутка времени между появлением огня в пушке и звуком выстрела позволит нам вычислить скорость распространения звука.

Как измерить расстояние, не пользуясь линейкой?Предположим, что вы гуляете с приятелем и на некотором расстоянии от вас находится железнодорожный мост. Спросите приятеля, может ли он довольно точно определить на глаз, на каком расстоянии находится этот мост. Ваш спутник подумает и скажет, что он может ошибиться, определяя расстояние на глаз, пожалуй, на несколько сот метров. А вы можете уверенно заявить, что беретесь определить это расстояние без всякого инструмента с очень большой точностью.

Как это можно сделать? Очень просто. Заметьте по секундной стрелке часов время, когда первые колеса паровоза войдут на мост; заметьте также, сколько секунд прошло до того времени, когда вы услышали въезд поезда на мост. Далее, зная, что скорость распространения звука в воздухе равна 333 метрам в секунду, вы сейчас же можете высчитать расстояние до моста. Если, скажем, этот промежуток времени был равен 6 секундам, то, помножив 333 на 6, мы сразу узнаем, что расстояние до моста равно 1998 метрам.

Так как скорость распространения звука несколько зависит от температуры и влажности воздуха, нельзя ручаться за совершенную точность результатов. Лучше округлить полученное число до 2000 метров. Но даже эта точность измерения после проверки вызовет удивление вашего приятеля.

Если на ваших часах нет секундной стрелки, приложите часы к уху и считайте секунды. Почти все карманные часы отбивают 1/ 5долю секунды, и если считать так: О 2,3,4,5; 1 2,3,4,5. 2 2,3,4,5. 3 2,3,4,5. 4 2,3,4,5и т. д., то можно узнать не только секунды, но и пятые доли их. Разумеется, счет надо начинать с нуля. При счете 1 проходит первая секунда, при счете 2 — вторая, при счете 3 — третья и т. д. Не удивляйтесь, что секунда длится дольше, чем это обычно кажется неопытному наблюдателю.

Случаев для определения расстояния по звуку найдется много: например, свисток паровоза (когда виден пар от свистка), играющий оркестр (начало музыки заметно по движению дирижера), плотник, рубящий топором, и т. д. С большой точностью можно определить расстояние до грозовых разрядов, если сосчитать секунды между вспышкой молнии и первым ударом грома.

Не обязательно, чтобы тот или другой предмет сам издавал звук. Если звук, изданный предметом, возвращается, например, в виде эха, вы тоже можете определить расстояние от предмета. Предположим, что с момента возникновения звука и первым ясным его эхом как раз пройдет 3 секунды. Значит, звук прошел туда и обратно 333 х 3 = 999 метров, или — округленно — 1000 метров, а следовательно, предмет, отразивший голос, находится от нас в 500 метрах.

Как произвести звук, чтобы услышать его дважды?Звук распространяется 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. В самом легком известном нам газе — водороде — звук проходит в секунду 1286 метров, то есть почти вчетверо больше, чем в воздухе. В воде скорость звука равна 1400 метрам, в дереве — 3300 метрам и в железе — 5000 метрам в секунду.

Пользуясь хорошей звукопроводностью воды, определяют наличие подводных лодок в море или, подслушивая через воду шум винтов, обнаруживают ход судна, еще находящегося за горизонтом. На берегах прудов, в которых разводят карпов, часто устанавливают колокол, и карпы приплывают на звон колокола, зная, что в это время их кормят. Значит, звук проходит из воздуха в воду. Если бы колокол был помещен в воде, вода затрудняла бы раскачивание языка колокола, и звук получился бы очень слабым.

Однако мы отклонились от темы. Как же издать звук так, чтобы услышать его дважды? Гуляя, вы заметите где-нибудь длинный железный решетчатый забор. Чем длиннее забор, тем лучше. Оставьте вашего спутника у начала забора, а сами пройдите вдоль него шагов сто двадцать, приложите ухо плотно к железному пруту забора и попросите вашего спутника сделать по решетке сильный и короткий удар. Прежде всего вы увидите, как он ударит, а затем услышите звук двух ударов, быстро следующих один задругам. Может быть, вы решите, что это вам показалось, но при повторном опыте всякое сомнение исчезнет. Вы действительно слышите два звуковых удара.

Так же просто, как и опыт, его объяснение.

От тела, вызвавшего звук, толчки дошли до уха двумя путями: через воздух и железо. Через железо звук распространяется очень быстро (5000 метров в секунду), а через воздух значительно медленнее (333 метра в секунду). Это и вызывает два коротких звуковых раздражения. Если вы отошли от места на 100 метров, первый звук, распространившийся по железу, дойдет до вашего уха через 0,02 секунды, а второй — через 0,3 секунды. Разница в 0,28 секунды явственно ощущается ухом.

Звук передается твердыми телами не только быстро, но и хорошо. Этим свойством пользуются заключенные, ведя стуком переговоры между камерами.

Один англичанин так воспользовался свойством елового дерева очень хорошо передавать звук. Он поставил в подвале рояль и еловым шестом соединил деку рояля с комнатой верхнего этажа. В верхнем этаже шест проходил через пол и передавал звуки рояля, когда к нему прикладывали деку скрипки. Музыка, совершенно не доходившая прежде из подвала, была так хорошо слышна, будто рояль находился в комнате.