Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

ОТВЕТ •В наше время б о льшая часть бронтидов — это, вероятно, звуковые удары от летящих сверхзвуковых самолетов. Когда люди слышат бронтиды, самолет может быть еще очень далеко, и тогда кажется, что гром вызван мистическими причинами. По законам США и Канады самолетам предписано избегать звуковых ударов над городами, но закон не распространяется на малонаселенные территории и океан. Например, бронтиды часто слышались (и часто о них сообщали в СМИ) на Восточном побережье США, и обычно они оказывались связанными со звуковыми ударами, возникавшими при пролете самолетов «Конкорд» (c 1976 по 2003 год). И хотя этим трансатлантическим лайнерам полагалось снижать скорость до дозвуковой задолго до побережья (например, когда они держали курс на аэропорт Кеннеди в Нью-Йорке), над океаном они летели со сверхзвуковой скоростью. Траектории, по которым распространялись звуковые волны в звуковом ударе, зависели от того, как температура воздуха и скорость ветра менялись с высотой. В некоторых ситуациях вариации температуры и скорости ветра могли создать такой канал для звуковых волн, что они были слышны и на Восточном побережье вблизи аэропорта Кеннеди.

Однако лишь звуковыми ударами нельзя объяснить все бронтиды, которые слышат в наше время, а также любые бронтиды, которые фиксировали до 1947 года, когда сверхзвуковых самолетов еще не было. Эти некие другие бронтиды могли иметь разные источники. Они могли быть вызваны сейсмической активностью, происходящей где-то далеко, если колебания земли были слишком слабы, чтобы их почувствовать, а звуковая волна, идущая через воздух, уже могла быть слышна. Их источником мог быть и гром, если гроза бушевала так далеко, что ее не было видно, а в атмосфере возникало нужное распределение температур. Тогда звуковая волна могла постоянно отклоняться везде, где возникало изменение температуры по высоте, и тогда звук мог бы распространяться на большие расстояния. Правда, все эти объяснения трудно проверить.

10 июля 1996 года в Калифорнии, в национальном парке Йосемити, вблизи Счастливых островов на реке Мерседа, случились два сильнейших камнепада, один за другим. В каждом из них огромный кусок гранитной скалы сначала соскальзывал с крутого склона, а потом отправлялся в полет подобно снаряду и падал на землю примерно в 550 м от склона. Удары, произведенные ими, породили сейсмические волны, которые были зарегистрированы сейсмографами даже на расстоянии около 200 км от мест падения. Еще удивительнее то, что на расстоянии 300 м от места падения было повалено более тысячи деревьев, разрушены мост и закусочная, один человек убит и несколько ранены. Как могли падающие куски гранита вызвать такие сильные повреждения так далеко от места их падения?

ОТВЕТ •Удар каждого куска гранита о землю в конце падения вызывал изменения давления воздуха, которые распространялись от места падения в виде звуковых волн. Волна — так называемая воздушная ударная волна взрыва, вызванная ударом, — представляет собой чередование областей сжатого и разреженного воздуха. Если вы окажетесь на пути этой волны взрыва, вас качнет порывом сильного ветра (образованного колебаниями давления в волне взрыва) сначала в одном направлении, а затем в обратном. Воздушная ударная волна взрыва при падении второго куска гранита, масса которого была примерно в три раза больше массы первого, была особенно разрушительна, в лесу скорость ветра от удара доходила до 430 км/ч, что сравнимо со скоростью ветра при торнадо. На самом деле воздушная волна взрыва, вызванная падением второго камня, имела скорость выше скорости звука (то есть это была действительно ударная волна), поскольку пыль, поднятая первым камнем, уменьшила скорость звука в воздухе от нормального значения 340 м/с до примерно 220 м/с, а вблизи места удара скорость воздушной волны взрыва была выше.

Как правильно щелкнуть кнутом? Вы должны так быстро махнуть кнутовищем, чтобы в конце этого короткого замаха скорость кончика кнута была максимальной. Как погромче хлопнуть полотенцем и почему это проще сделать, если полотенце мокрое?

ОТВЕТ •Когда вам нужно щелкнуть кнутом (или чем-то похожим на него), вы делаете резкий взмах кнутовищем и таким образом посылаете волну вдоль кнута. Новички обычно посылают простую волну, а опытные мастера закручивают кнут петлей (рис. 3.5). Когда волна доберется до конца кнута, его ускорение может оказаться в 50 000 раз больше ускорения свободного падения, а скорость может превысить скорость звука. Как и другие объекты, движущиеся со сверхзвуковой скоростью (например, самолеты или сверхзвуковые пули), конец кнута издаст звук, представляющий собой звуковой удар (ударную волну), который мы и называем щелчком кнута.

Рис. 3.5 / Задача 3.59.Три мгновенных снимка бегущей по кнуту петли при резком забрасывании кнутовища назад.

Мокрое полотенце хлопает громче, чем сухое, из-за своей большей массы. Конечно, вам придется приложить больше сил, замахиваясь мокрым полотенцем, но зато его конец приобретет б о льшую энергию.

Некоторые палеонтологи полагают, что динозавр-зауропод Apatosaurus louisae, имевший длинный и гибкий хвост, мог махать им как хлыстом, а конец хвоста мог развивать сверхзвуковую скорость и создавать ударную волну.

Как возникает звук при кашле и чихании и почему некоторые люди кашляют и чихают так громко, что пугают окружающих?

ОТВЕТ •При кашле вы с большой скоростью выдыхаете воздух через трахею и верхние бронхи, и он уносит с собой лишнюю слизь, выстилающую верхние дыхательные пути. Чтобы развить такую высокую скорость, вы вдыхаете большое количество воздуха, перекрываете голосовую щель (узкое отверстие в гортани), увеличиваете давление воздуха, сжимая легкие, и частично прикрываете трахею и верхние бронхи, чтобы сузить канал, через который проходит воздух. А после этого мгновенно открываете голосовую щель и через нее с силой выталкиваете воздух наружу. Поток воздуха быстро становится турбулентным, и в воздух и легкие посылаются звуковые волны. На этой стадии голосовые связки не производят звука в гортани, поскольку они остаются раздвинутыми, чтобы не мешать потоку воздуха. Однако на завершающей стадии этого процесса голосовые связки сближаются, возвращаясь на место. Под действием воздушного потока они начинают колебаться и производят звук.

Выдох при кашле носит взрывной характер, скорость потока воздуха быстро возрастает при проходе через сжатую трахею и верхние бронхи. Согласно расчетам, у некоторых людей скорость выдыхаемого воздуха может достигать и даже превышать скорость звука. И тогда при выходе его из горла возникает небольшая ударная волна (звуковой удар) и кашель становится особенно громким. Такая же ударная волна может возникнуть и при чихании. Так что лучше не оказываться в одном лифте с обладателями сверхзвукового кашля или чиха.