Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В 400 году до н.э. Архит Тарентский (ок. 420–365 до н.э.), член пифагорейской школы, предположил, что звук производится благодаря соударению тел — быстрое движение порождает высокий тон, а медленное движение — низкий тон. Примерно в 350 году до н.э. Аристотель предположил, что вибрирующая струна ударяет по воздуху и что та часть воздуха, которая была подвержена удару струны, в свою очередь, перемещается от удара, чтобы ударить соседнюю часть, которая, в свою очередь, ударяет следующую часть и так далее. Аристотель далее пришел к выводу, что воздух является средой, необходимой для того, чтобы звук распространялся, и что в безвоздушном пространстве никакого распространения, а значит, и самого звука не будет. (И в этом Аристотель был, несомненно, прав.)

Поскольку вибрирующая струна, двигаясь в быстром темпе, ударяет воздух не однажды, а многократно, то воздух должен провести не один удар, а целый длинный ряд ударов. Римский архитектор Витрувий, живший в I столетии до н.э., предположил, что воздух просто не двигается, а вибрирует и что он ведет себя таким образом в ответ на колебания струны. Он утверждал далее, что именно эти воздушные колебания мы и слышим как звук.

Ну и наконец, приблизительно в 500 году н.э. римский философ Северин Боэций (480–524?) сделал сравнительную аналогию проводимости звука сквозь воздух с волнами, которые возникают в спокойной воде от брошенного туда камня. Несмотря на то что данная аналогия достаточно справедлива и до сих пор можно рассматривать распространение звука в воздушной среде именно таким образом (и именно так, например, мы рассматриваем его в этой книге), все-таки следует отметить, что такой подход надо рассматривать только как предварительный, потому что между жидкостными волнами и звуковыми волнами на самом деле имеются достаточно важные различия.

Поперечные волны, типа жидкостных волн, могут появляться только при некоторых определенных условиях. Эти волны представляют собой такие состояния тел, при которых одна часть тела (а точнее — его поперечное сечение) перемещается боком относительно другой части, а затем совершает такое же движение, но в противоположную сторону. (Можно воспроизвести поперечную волну, если взять очень высокую стопку карт и переместить каждую карту вбок на нужное расстояние.) Такое поперечное движение производится определенным типом силы, называемым «сдвиг». Но для того чтобы воздействие сдвига закончилось появлением поперечной волны, необходимо, чтобы силе, производящей сдвиг, противостояла другая сила, которая сдвигает части тела обратно, на первоначальные места.

Например, в пределах твердого тела удар может заставить одну часть материи тела сдвигаться вбок относительно соседней части. Однако сильные силы сцепления между молекулами твердого тела, которые имеют тенденцию удерживать каждую молекулу на одном месте, будут возвращать сдвинутую часть. Она отскакивает назад, проходит свое «нулевое» положение, отскакивает назад снова, проходит мимо «нулевого» положения и так далее. Явившаяся результатом этого вибрация распространяется таким же образом, каким волны распространяются по поверхности жидкости; результатом является возможность передать поперечные волны через материю твердого тела.

Однако в жидкостях и газах силы сцепления гораздо более слабые, чем в твердых телах, и не способны восстановить сдвиг. Если мы переместим часть воды или воздуха вбок относительно соседней части, то некоторое дополнительное количество воды или воздуха просто натечет в область, которую перемещающаяся часть оставила «пустой», а новое взаимное расположение частей останется. Поэтому в телах жидкостей не существует никаких поперечных волн.

Точнее говоря, поперечные волны будут перемещаться по горизонтальной верхней поверхности жидкостей, поскольку там мы имеем особый случай — существование внешней силы — силы тяжести, которая сопротивляется сдвигу «вверх и вниз». Однако в пределах тела жидкости сила тяжести не может выполнять эту работу, поскольку каждый из фрагментов воды поддерживается на поверхности окружающей его водой. Так как плотность каждой частицы воды равна плотности окружающей ее воды, то вес каждой частицы воды равен нулю, и она не отвечает на воздействие силы тяжести. Если часть воды в пределах тела жидкости поднята на сдвиг, она остается в новом положении, несмотря на силу тяжести. Таким образом, распространение поперечных волн ограничено поверхностью жидкости, а так как газы не имеют никакого определенного объема и поэтому никакой определенной поверхности, то из этого следует, что поперечные волны не передаются газами ни при каких условиях.

Следовательно, если звук передается сквозь воздух в форме волны (а все свидетельствует, что так оно и есть), то форма этой волны не может быть поперечной. Логично было бы предположить существование альтернативной формы волны, такой, чтобы она состояла из периодических сжатий и разрежений.

Рассмотрим, например, колебания камертона. Ножка камертона создает быстрые периодические колебания, перемещаясь влево-вправо, влево-вправо и так далее. По мере того как она перемещается вправо, молекулы воздуха, находящиеся непосредственно справа от нее, смещаются, сдвигаясь вместе и формируя маленький объем сжатия. Давление в пределах этого сжатого объема больше, чем в соседнем объеме нормального воздуха. Молекулы в сжатом объеме «разворачиваются» и «толкают» молекулы примыкающего к ним объема, сжимая его. Соседний объем, по мере того как «разворачивается», сжимает следующего за ним соседа и так далее. Таким образом, данный объем сжатия распространяется наружу но всех направлениях, формируя вокруг источника возмущения расширяющуюся сферу так же, как в жидкости вокруг источника возмущения формируется расширяющийся круг, состоящий из гребней воды. (Атмосфера является трехмерной средой, а поверхность воды — двумерной, вот почему мы в одном случае имеем расширяющуюся сферу, а в другом случае — расширяющийся круг.)

Тем временем ножка камертона, которая переместилась вправо и создала расширяющийся объем сжатия, перемещается влево. Направо от ножки образуется большее количество места, а находящийся там объем воздуха расширяется и становится более разреженным. Давление, которое в соседнем, неразреженном, объеме выше, толкает воздух в разреженное место и разрежается в процессе этого само. Таким образом, объем разрежения расширяется по направлению наружу, вслед за объемом сжатия.

И снова ножка камертона перемещается вправо, затем — опять влево, снова — вправо, то есть таким образом, что объемы сжатия и разрежения в быстром чередовании следуют друг за другом по направлению наружу все то время, пока ножка камертона продолжает вибрировать. Каждый период движения ножки (одно движение назад и одно вперед) вызывает образование одной комбинации «сжатие — разрежение».