Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Когда вы заполняете водой сосуд с вертикальными стенками типа стакана, банки или графина, частота звука, который вы при этом слышите, увеличивается. Почему?

ОТВЕТ •Столб воздуха внутри такой емкости (от открытого отверстия до поверхности жидкости или до дна) похож на трубу с одним открытым концом. Частотный диапазон шума от льющейся струи на поверхность воды (см. предыдущую задачу) очень широк. Одна из этих частот совпадает с самой низкой собственной частотой воздушного столба в сосуде. Это означает, что изменения давления на этой частоте входят в резонанс с собственными колебаниями в столбе воздуха, при этом звуковые волны усиливают друг друга, и в результате образуется мощная результирующая звуковая волна. Часть энергии этой волны выходит наружу, этот звук мы и слышим (он идет в основном на резонансной частоте, но можно услышать и слабые шлепки непосредственно от ударов струи воды).

Резонансная частота воздушного столба обратно пропорциональна высоте столба. Поэтому по мере того, как сосуд заполняется и высота столба воздуха до отверстия уменьшается, резонансная частота растет. Поэтому вы можете не глядя, а исключительно на слух, определить, когда емкость почти заполнится.

Почему иногда, когда вы открываете кран, раздается урчание труб?

ОТВЕТ •Обычно водопроводные трубы урчат из-за того, что при протекании воды по трубам возникает турбулентность. Особенно она сильна в местах изгибов труб и в фитингах (соединителях труб), где поток меняет направление или обходит препятствие. Турбулентность воды представляет собой совокупность вихрей, которые порождают изменения давления. При этих изменениях давление воды может уменьшиться настолько, что из растворенного в воде воздуха образуются пузырьки. Этот процесс называется кавитацией . Внезапное рождение пузырьков, колебания этих пузырьков и в конечном счете их схлопывание приводят к распространению волн в воде. Эти колебания передаются трубам, а от них — в воздух. Часто можно убрать шум, просто прикрыв кран, то есть уменьшив поток воды, и это снизит турбулентность. Звук может усиливаться при возникновении резонанса с колебаниями в потоке воды.

Что вызывает звук, который раздается, когда вы тянете себя за палец, чтобы хрустнуть суставом? Почему нужно немного подождать, прежде чем сустав смог опять хрустнуть?

ОТВЕТ •Когда вы тянете себя за палец, вы расширяете пространство между формирующими сустав костями и уменьшаете ширину суставной полости. Эта полость заполнена изначально тонким слоем синовиальной жидкости , смазывающей сустав. Если достаточно сильно дернуть за палец, стенки полости могут раздвинуться, полость увеличится, и давление в синовиальной жидкости уменьшится. Это внезапное уменьшение давления вызовет образование одного или нескольких пузырьков растворенного в жидкости газа, в основном углекислого. Это образование пузырьков, называемое кавитацией , посылает импульс давления через жидкость, суставную полость и дальше в воздух. Когда этот импульс дойдет до уха, вы услышите хруст. Чтобы повторить этот фокус, нужно подождать 15–30 минут, чтобы полость восстановилась до прежних размеров, синовиальная жидкость опять сжалась в тонкий слой между костями, а газ снова растворился в жидкости. Однако врачи не рекомендуют поступать так со своими суставами — они вам еще пригодятся.

Обычно, чтобы измерить давление крови, нужно надуть манжету, обернутую вокруг руки, и с помощью стетоскопа слушать шумы в потоке крови, когда давление в манжете увеличивается до перекрытия кровотока, а потом постепенно уменьшается и ток крови восстанавливается. Врач или медсестра записывают давление крови, при котором звуки, называемые тонами Короткова, прослушиваются через стетоскоп. Когда становятся слышны первые звуки, записывается первое значение давления — его называют верхним (систолическим) давлением, а когда стихают последние звуки, записывается второе значение — его называют нижним (диастолическим) давлением. Что это за звуки?

ОТВЕТ •Хотя тоны Короткова изучают уже больше ста лет, их источник по-прежнему не вполне ясен. Существует два объяснения.

1. Щелчки стенок артерии. Когда давление в надутой манжете уменьшается до уровня систолического давления крови, кровь под манжетой слабой струей начинает поступать в нижнюю часть руки и артерия, стенки которой были втянуты внутрь, пока надутая манжета перекрывала ток крови, расправляется. При расправлении стенок по руке проходит звуковая волна, и в стетоскопе раздаются щелчки. По мере того как давление в манжете продолжает падать, щелчки при каждой пульсации становятся все тише и наконец, при давлении, соответствующем диастолическому давлению крови, и вовсе исчезают. При первых щелчках врач фиксирует давление в манжете как систолическое давление крови, а при последних — как диастолическое давление.

2. Кавитация. Когда кровь начинает пульсировать под манжетой и проходить в нижнюю часть руки, сжатая артерия расправляется и понижение давления в верхнем течении потока крови приводит к тому, что растворенный в крови газ (в основном кислород, азот и углекислый газ) выходит наружу и образует пузырьки. Когда вскоре после этого пузырьки схлопываются, кровь быстро втекает в пространство, которое занимали эти пузырьки, и такой мгновенный впрыск крови приводит к появлению звуковой волны, распространяющейся по сосудам в руке. Этот звук, вернее, звук от множества лопающихся пузырьков, который возникает сразу после прохождения каждой струйки крови в нижнюю часть руки, и есть тоны Короткова. Эти тоны слышны, пока давление в манжете не дойдет до диастолического значения, а после этого кровь в нижнюю часть руки потечет равномерно и беспрепятственно.

Оказывается, океан полон звуков. К примеру, колонии креветок поднимают иногда такой шум, что подводные лодки легко спрячутся за ним и гидролокаторы не смогут зарегистрировать гул их двигателей. Раки-щелкуны ( Alpheus heterochaelis ) издают сильный треск, когда атакуют жертву с помощью своей чрезмерно увеличенной клешни (которая гораздо крупнее второй клешни). Удивительно то, что рак защелкивает клешню не на самой добыче, а рядом, и этот звук оглушает или даже убивает жертву. После этого рак захватывает ее маленькой клешней и съедает. Морской рак-богомол ( Odontodactylus scyllarus ) тоже убивает свою жертву, не касаясь ее: он издает внезапный громкий щелчок своими ротовыми придатками. Что именно оглушает или убивает жертву в этих двух случаях?