Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Когда извергался вулкан Сент-Хеленс, колебания давления (которые возникают, в частности, из-за вылетающих из вулкана продуктов взрыва) были слишком медленными, чтобы человек мог их услышать. Поэтому в Толедо, расположенном на расстоянии 54 км от вулкана, волна сжатия не была слышна (и не причинила никакого вреда стеклам и другим хрупким предметам). Однако, отразившись от стратосферы, волны направились обратно к земле. Они вернулись на землю на расстоянии больше 100 км от вулкана, и тогда колебания давления в волнах сжатия происходили уже достаточно быстро (возможно, из-за отражения от движущихся слоев в атмосфере), чтобы человеческое ухо их уловило.

Звук от взрыва близ Мессин тоже дошел до стратосферы, а затем спустился обратно на землю. Однако, в отличие от взрыва вулкана Сент-Хеленс, колебания давления в месте взрыва происходили быстро, и находившиеся поблизости солдаты услышали звук оглушительной силы.

Направление распространения звука зависит также от ветра. Если волна движется вверх от земли с подветренной стороны, направление ее распространения меняется и она возвращается на землю где-то «ниже по течению ветра». Иногда этот звук возвращается на землю невероятно далеко от источника звука.

В Гражданской войне в США (1862–1865) командующие обеих сражающихся армий — федеральной и армии конфедератов — очень зависели от сигналов, оповещающих о начале сражения и местах дислокации войск. В некоторых случаях для того, чтобы атаковать неприятеля с двух разных направлений, командующие делили войско на две части. Скоординировать действия этих частей в то время можно было единственным способом — обеспечить, чтобы звуковой сигнал начала атаки одной части войска был услышан другой. Расчет на такой способ коммуникации казался разумным, поскольку эти части обычно располагались на расстоянии не больше нескольких километров друг от друга. Но иногда в решающие моменты он подводил.

Этот странный эффект был отмечен в июне 1862 года военным министром конфедератов и одним из его советников, наблюдавшими за битвой при Гейнс-Милл с вершины холма, находившегося не далее 2 км от поля сражения. В битве участвовало не менее 50 000 человек и более 100 артиллерийских орудий, издававших ужасный грохот, буквально оглушавший сражавшихся. Но оба наблюдателя, в течение двух часов следившие за этой битвой, не слышали ровным счетом ничего. Как такой ужасный шум сражения могли не услышать на расстоянии всего нескольких километров?

ОТВЕТ •Существует три главные причины того, почему эту невероятно шумную битву могли не услышать на расстоянии всего в несколько километров. 1. Густой лес мог мешать распространению звука, поглощая звуковые волны. 2. Звуковые волны, испущенные с уровня земли, вместо того чтобы пойти по более-менее горизонтальной траектории, шли по искривленной траектории вверх — из-за изменения температуры воздуха с высотой. 3. Траектория звуковой волны могла искривиться из-за ветра.

Поскольку первая причина не имела места, рассмотрим вторую и третью причины. Если температура воздуха уменьшается с высотой, звуковые волны, испущенные даже под небольшим углом к земле, в конце концов пойдут по более крутой траектории вверх и, следовательно, не достигнут наблюдателя, находящегося на земле в нескольких километрах от источника звука (рис. 3.3а). Но скорость ветра обычно увеличивается с высотой, и если звук распространяется в направлении ветра, его траектория изогнется уже в направлении земли, и тогда звук будет слышен (рис. 3.3б). Однако, если звук испускается против ветра, траектория звуковой волны изогнется вверх от земли, и звук услышан не будет.

Рис. 3.3 / Задача 3.19.а) Наблюдатели не слышали шума битвы из-за искривления траектории звуковой волны при падении температуры воздуха с высотой. б) Искривление траектории звуковой волны под действием ветра.

В некоторых сражениях Гражданской войны командующий оказывался с наветренной по отношению к месту сражения стороны, а скорость ветра в месте сражения значительно возрастала с высотой. Говорят, что командующий находился в акустической тени . Но еще более странные ситуации возникали, когда из-за температурного эффекта звуковая волна направлялась вверх, а потом под влиянием ветра отклонялась вниз, так что у земли она оказывалась далеко от места битвы. И тогда солдаты, находящиеся далеко от этого места, слышали шум битвы, а те, которые были совсем близко, ничего не слышали.

Во время холодной войны США наблюдали за движением подводных лодок СССР, прослушивая их через сеть подводных акустических антенн, которые могли записывать шумы работающих гребных винтов подлодок. Любопытно, что антенны при этом были установлены в средних широтах, а подлодки плавали на расстояниях в 1000 км от них — в полярных широтах. Как можно было услышать шум гребного винта на таких расстояниях?

ОТВЕТ •Некоторые звуки, излучаемые, например, работающими гребными винтами, фактически попадают в трубу — подводный звуковой канал , который соединяет полярные и средние широты. Канал проходит на глубине, где скорость звука в воде наименьшая. Скорость звука сложным образом зависит и от глубины, и от температуры воды. Если мы будем измерять ее при погружении, то заметим, что сначала доминирует температурный эффект и по мере падения температуры скорость уменьшается. Но при дальнейшем увеличении глубины начинает перевешивать влияние усиления гидростатического давления и скорость возрастает.

Таким образом, в каком-то диапазоне глубин скорость звука минимальна. Если звук запустить на этой глубине, он попадет в «канал» и распространится по нему примерно так, как свет по оптоволокну. Если звук направится, например, вверх, за верхнюю границу канала, где скорость звука больше, его траектория из-за изменения скорости искривится и он направится обратно в канал (рефракция звуковой волны). А если звук пойдет вниз и выйдет за нижнюю границу канала в область больших скоростей, изменение скорости на границе опять искривит траекторию и направит ее вверх — обратно в канал. Шум от советских подлодок, плававших в полярных широтах, попадал в акустический канал и доходил по нему до средних широт.

Если лидер группы поддержки (чирлидер) выкрикнет что-то в большой шумной толпе на стадионе, никто в толпе не услышит его. Но если он скомандует через мегафон (рупор), его легко услышат все. Как рупор преобразует звук?