Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Часть «хлопка», который вы слышите при выстреле, это звуковой удар, создаваемый сверхзвуковой пулей в полете. Немецкие ракеты V-1 летели со скоростью меньше скорости звука, так что шум от их полета наблюдатель слышал прежде, чем видел ракету. Ракеты V-2 уже были сверхзвуковыми, и они достигали цели раньше, чем туда долетал шум, который они создавали в полете.

Когда ударная волна от шаттла «Колумбия» достигла Лос-Анджелеса, она вызвала колебания во многих высоких зданиях в центральной части города; подобное случается и при землетрясениях. Периоды этих колебаний (время, за которое происходит полное колебание) лежали в интервале 1–6 секунд. Колебания зданий вызвали сейсмические волны. Например, здание, колебавшееся, скажем, с периодом 2 секунды породило сейсмическую волну с периодом 2 секунды. Сейсмические волны распространяются по земле быстрее, чем ударные волны в воздухе, поэтому они добрались до Пасадены раньше ударной волны. Первые сейсмические волны, вызванные колебаниями всех зданий, пришли почти в фазе друг с другом, так что на сейсмографе был зарегистрирован значительный всплеск. Но поскольку волны имели разные периоды, позже они складывались случайным образом и многие из них гасили друг друга, так что всплески в сейсмографе стали ослабевать.

Когда в Японии скорые поезда начали развивать скорость 270 км/ч вместо прежней 220 км/ч, в железнодорожных тоннелях при прохождении через них поезда стал раздаваться громкий хлопок. Эти хлопки были такими же громкими и пугающими, как и звуковые удары при пролете сверхзвуковых самолетов. Почему хлопки усилились при увеличении скорости поезда?

ОТВЕТ •Любой поезд, а особенно скорый, проталкивается через воздух, поэтому он посылает волны сжатия перед собой. На открытой местности эти волны быстро гаснут (их энергия рассеивается ), но в тоннеле они живут дольше, настолько долго, чтобы, сложившись, образовать ударную волну. Когда ударная волна доходит до конца тоннеля и выходит из него, ее энергия достаточно велика, чтобы произошел звуковой удар. Хотя современные технологии позволяют увеличивать скорость поездов, возникновение звуковых ударов накладывает ограничения на скорость поездов данного типа в существующей системе тоннелей.

Что вызывает гром и почему он может быть таким разным — от резкого, бьющего по нервам хлопка до довольно продолжительных раскатов?

ОТВЕТ •Основная причина грома — ударная волна, возбуждаемая молнией, а молния представляет собой электрический разряд. Огромный ток (до 500 000 А) молнии течет между облаком и землей (или между облаками) в узком канале с радиусом всего несколько сантиметров. Внутри канала электроны вырываются из молекул воздуха, ускоряются электрическим полем, сталкиваются с молекулами воздуха и передают им накопленную энергию. Поскольку температура газа, состоящего из этих молекул, очень высока (может доходить до 30 000 К), газ расширяется. Этот процесс идет невероятно быстро: канал горячего газа вначале расширяется со скоростью, гораздо большей скорости звука, создавая в окружающем пространстве ударную волну — резкие изменения давления, которые мы слышим как гром.

Если вы стоите близко к молнии и ударная волна накрывает вас, вы слышите один страшный удар грома. Если же вы отойдете подальше, то сначала услышите звук, пришедший от ближней части молнии, а чуть позже — от более удаленных ее участков. Однако, поскольку звуковые волны рассеиваются, более удаленный звук может оказаться уже не таким громким и пугающим. Возможно, вы услышите также и эхо грома от холмов, зданий, земли и даже облаков. Эти эффекты превращают однократный звуковой удар в раскаты.

Если вы окажетесь рядом с тем местом, где ударила молния, состоящая из нескольких коротких разрядов, вы сможете расслышать музыкальный тон. Если звуковые импульсы от разных разрядов пространственно не сильно разделены, вы не воспримете их по отдельности, для вас они образуют единый тон. Например, если интервал между последовательными импульсами равен 0,001 секунды, вы будете слышать тон на частоте 1/0,001 = 1000 Гц.

Если молния ударяет на расстоянии больше 20 км от вас, вы вообще можете не услышать грома, поскольку при прохождении звука через воздух его траектория искривляется (он подвергается рефракции) из-за изменений температуры воздуха (более теплый воздух имеет меньшую плотность, чем более холодный, и поэтому изменения плотности могут изменить траекторию звуковой волны). Поскольку обычно воздух в облаках холоднее, чем у поверхности земли, траектория звука, идущего к вам от далекой молнии, отклоняется вверх и удаляется от вас. Однако во время некоторых гроз воздух на земле оказывается холоднее, чем на высоте (такая ситуация называется температурной инверсией ). При температурной инверсии звук, который должен был бы идти вверх, может направиться вниз. Иногда звуковые волны от разных частей молнии могут сложиться и направиться на вас (то есть звук сфокусируется на вас). Тогда забудьте о тишине — гром не даст вам уснуть (даже если вы спрячетесь под одеяло) до тех пор, пока не пройдет гроза.

Часть звуков, порождаемых ударом молнии, может лежать в области инфразвука , то есть их частота слишком низкая, чтобы вы их услышали. Источником инфразвука в грозу, судя по всему, служит мгновенное исчезновение электрического поля и изменение распределения зарядов в облаке при ударе молнии, когда оно мгновенно теряет огромное количество зарядов. Капли воды в облаке заряжены и, следовательно, отталкиваются друг от друга. После того как эти заряды уносятся молнией, капли перестают отталкиваться, устремляются внутрь облака и упаковываются более плотно. Эта перестройка приводит к скачкам давления в воздухе, и они распространяются в сторону земли в виде инфразвука. Частота (около 1 Гц) слишком мала, чтобы ее можно было услышать, однако вы можете почувствовать ее, особенно если стоите прямо под облаком. Однако если вы там оказались, вам нужно в первую очередь остерегаться ударов молнии, а не прислушиваться к своим ощущениям в попытке уловить неразличимый инфразвук.

Гром среди ясного неба издавна обращал на себя внимание людей, а по поводу его источника давно велись споры. Например, легендарные исследователи Льюис и Кларк [54], путешествуя по Дикому Западу, сначала не поверили рассказам аборигенов об этих звуках, но изменили свое отношение, когда сами услышали их у подножия Скалистых гор. Эти звуки в разных частях света называли разными именами: бронтиды, мистпоуфферы, пушки Барисала — и это лишь некоторые их названия. В наше время сообщения о бронтидах иногда появляются в газетах, особенно если их услышало большое количество людей или если где-то они звучат регулярно. Можете ли вы предположить, что их вызывает?