Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Как сверчки стрекочут, а лангусты скрежещут?

ОТВЕТ •Самец сверчка, призывая самку, стрекочет, приподнимая крылья и накрывая правым передним крылом левое. Когда крылья смыкаются, твердый «смычок», расположенный на верхней поверхности левого крыла, трется о «струну» (ряд загнутых зубчиков) на нижней поверхности правого крыла. «Смычок» касается одного за другим зубчиков струны, в результате чего обе эти структуры начинают вибрировать, а вслед за ними вибрирует б о льшая часть обоих крыльев. Эти колебания, особенно в области арфы — тонкого участка крыла с перемычками-жилками, приводят к колебаниям давления воздуха, которые распространяются от крыльев во все стороны в виде звуковых волн, образующих стрекот сверчка. Частота звука зависит от скорости, с которой «смычок» захватывает и отпускает зубчики «струны». Вероятно, эта скорость определяется частотой колебаний, которые возникают в арфе каждого крыла, то есть имеет место обратная связь.

Призывный стрекот самца сверчка может дорого ему обойтись: он привлекает не только самок, но и паразитических мух, которые могут по звуку отыскать сверчка и отложить в него яйца. Эти яйца со временем превращаются в личинки, которые вгрызаются в тело сверчка и убивают его. (Поиск подруги часто приводит к неприятностям у особей мужского пола, причем не только у сверчков.)

Лангуст тоже трет лопастью своей антенны по микроскопическим неровностям-зубчикам костяной пластинки, расположенной у него под глазами, но механизм генерации звука здесь другой. У лангуста лопасть состоит из мягких тканей, и звук возникает не потому, что она бьет по зубчикам, а потому, что она при трении об эти зубчики зацепляется (поочередно за каждый из них) и натягивается, прежде чем оторваться от одного зубчика и перейти к следующему. Сразу после того, как лопасть отрывается от зубчика, оба они начинают колебаться, при этом возникает звук, похожий на скрежет. Лангуст использует этот звук, чтобы напугать хищников, и способен издавать его даже во время линьки, когда его наружный скелет становится мягким.

Почему самец узкоротой квакши Metaphrynella sundana с острова Борнео, призывая самку, стрекочет, сидя в дупле дерева? Почему громкость стрекота самца полевого сверчка усиливается, а сам звук становится чище по мере того, как сверчок зарывается в норку?

ОТВЕТ •Самец метафринеллы обычно уютно устраивается в частично заполненной водой полости в стволе дерева — в дупле или выдолбленной в пеньке ямке. Когда он хочет объявить во всеуслышание о том, что ищет женского общества, он начинает экспериментировать с частотой своих призывных криков, увеличивая и уменьшая ее до тех пор, пока не найдет частоту, соответствующую самой низкой резонансной частоте полости. Это самая низкая из собственных частот полости, на которых звуковые волны усиливают друг друга, так что громкость результирующей звуковой волны становится очень большой. Когда самец нащупает эту частоту, из полости дерева далеко по округе разнесется его громкая жалоба на свое одиночество.

Цель полевого сверчка схожая — выкопать полость, в которой частота его стрекота войдет в резонанс с собственными частотами полости. Сверчок строит свою норку поэтапно, выкапывая ямку в форме луковицы с похожим на рог каналом, соединяющим ямку с внешним миром. Такое строение норки напоминает открытый раструб некоторых музыкальных инструментов, позволяющий звуку выходить наружу. Заканчивая каждый этап строительства, сверчок останавливается и стрекочет, проверяя, есть ли уже в норке резонанс. В конце концов резонанс возникает, и из норки наружу через отверстие слышится громкий стрекот.

Если вы спите и где-то поблизости самец австралийской цикады ( Cyclochila australasiae ) испустит свой призывный клич, он будет таким громким (100 дБ на расстоянии 1 м), что вы подскочите от испуга. Как такое маленькое (всего 6 см в длину), но самое громогласное из известных насекомое может быть источником столь мощного звука?

ОТВЕТ •С каждой стороны у цикады имеется что-то вроде маленького барабана с четырьмя вертикальными ребрами-жилками, выгнутыми наружу, — так называемые цимбалы. С помощью мышц цимбалы втягиваются внутрь таким образом, что их жилки резко изгибаются внутрь одна за другой, причем с небольшой задержкой, и при этом каждая жилка испускает звуковой импульс — щелчок. Последовательность щелчков входит в резонанс с собственными частотами воздушной полости в брюшке цикады. Это значит, что звуковые волны складываются и усиливают друг друга, в результате образуется волна большой амплитуды. Частота этой усиленной волны примерно равна 4300 Гц, а громкость — 150 дБ (это даже громче того, что приходится слышать на концертах тяжелого рока). Эти звуки испускаются брюшком через перепонки резонаторов на боках цикады. Почему при этом цикада не глохнет, неясно.

После того как императорский пингвин наныряется и наестся, он должен вернуться домой на льдину к своей самке. Однако зимой эта самка находится в окружении тысяч других пингвинов, прижимающихся друг к другу, чтобы не замерзнуть в суровом антарктическом климате, где температура опускается до ‒40°C, а ветер дует со скоростью 300 км/ч. Кроме того, все пингвины кажутся похожими друг на друга, наверное, даже самим пингвинам, то есть визуально опознать свою самку нашему пингвину сложно. Как же тогда он найдет ее среди тысяч других птиц?

ОТВЕТ •Большинство птиц издают звуки, пользуясь только одной стороной своего специального двустороннего органа, который предназначен для вокализации и называется сиринкс (нижняя гортань). Однако императорский пингвин использует одновременно обе стороны этого органа. Каждая половина сиринкса совместно с ротовой полостью и горлом образует резонаторы, подобно тому как резонатором является труба с двумя открытыми концами. Это означает, что звуковые волны в резонаторе усиливают друг друга, в результате возникает мощная звуковая волна. Частота результирующей звуковой волны, излучаемой одной половиной сиринкса, отличается от частоты волны, излучаемой второй половиной. Ухо воспринимает не только среднее значение этих двух частот, но и то, как этот усредненный звук «плавает», то есть меняется от громкого к тихому с определенной частотой — частотой биений, равной разности частот, возбуждаемых в двух половинах сиринкса. Пингвины слышат эти частоты биений . Таким образом, крики императорских пингвинов различаются не только основной частотой, но и частотой биений, что, возможно, помогает им отличить голос одного сородича от голоса другого.