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

В этих волнах, основанных на принципе «дополнительного сжатия и разрежения», индивидуальные молекулы воздуха двигаются в одном направлении по мере сжатия, а затем в обратном направлении по мере разрежения; объемы сжатия и разрежения двигаются по направлению наружу и распространяются в направлении, параллельном возвратно-поступательному движению молекул. Такие волны, в которых частицы двигаются параллельно распространению волны в большей степени, чем перпендикулярно в направлении к нему, называются «продольными», или «компрессионными», волнами.

Продольные волны гораздо труднее проиллюстрировать и труднее воспринять, чем поперечные волны, поскольку в обычной жизни мы не сталкиваемся ни с какими внешними проявлениями их существования, как это было, например, с жидкостными волнами. Однако, поняв детально принцип распространения поперечных волн, мы можем по аналогии перенести этот принцип и на продольные волны.

Точки максимального сжатия аналогичны гребням поперечных волн, а точки максимального разрежения — впадинам. Между ними имеются области, где давление на мгновение становится нормальным, и мы можем их сопоставить.

Расстояние между точками максимального сжатия (или между точками максимального разрежения) называется длиной продольной волны. Количество точек максимального сжатия (или максимального разрежения), проходящих через данное положение за одну секунду, называется частотой продольной волны.

Так как молекулы жидкостей и твердых тел, как и молекулы газов, при сжатии формируют противосилу, старающуюся восстановить их форму, продольные волны могут передаваться и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах. Звуковые волны особенно хорошо распространяются в воде и металле, равно как и воздушным путем. (Волны, произведенные в теле Земли колебаниями, вызванными землетрясениями, состоят из обоих типов волн — и поперечных и продольных. Они передаются твердой материей Земли, но было выяснено, что, когда волны проникают на некоторую глубину ниже поверхности земли, только продольные продолжают распространяться на дальние расстояния, в то время как поперечные волны внезапно и полностью останавливаются. Именно благодаря этому геологи пришли к выводу, что Земля содержит жидкое ядро, и оказались способными измерить его диаметр со значительной точностью.)

Однако звуковые волны не могут переноситься при полном отсутствии молекул. Если мы поместим электрический звонок под колокол воздушного насоса, то сначала мы будем слышать его звон через стекло, но затем, по мере того как воздух будет откачиваться, звучание звонка будет становиться все более и более тихим. Язычок может продолжать неистово ударять по звонку, и сам звонок может даже начать вибрировать, но из-за отсутствия воздуха образование продольных волн невозможно. В результате никакого звука не будет слышно.

(Часто повторяют, что Луна, на которой практически нет атмосферы, является беззвучным миром. Однако звук может быть передан по поверхности Луны, и космонавт сможет услышать отдаленный взрыв, если он надлежащим образом создаст контакт с ее поверхностью.)

Предположим, что мы рассматриваем звуковую волну, в которой последовательность сжатий и разрежений является регулярной. Она была бы аналогична поперечной волне, имеющей форму правильной синусоиды. Такую звуковую волну слышим мы как устойчивую музыкальную ноту, и именно такой звук производит камертон. Действительно, если мы закрепим какой-либо пишущий инструмент на ножке камертона таким образом, что он сможет писать на рулоне бумаги, перемещаемой с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном к направлению вибрации ножки, то на бумаге получится изображение синусоидальной волны.

Камертон может издавать звуки, которые отличаются по громкости. Если мы ударим его лишь слегка, он издаст мягкий звук; если же мы ударим ножку камертона сильнее, то он испустит звук, который будет совершенно идентичным первому и будет отличаться от него только уровнем громкости. Когда мы слегка ударяем камертон, его ножка двигается вперед и назад по сравнительно небольшой дуге; при более сильном ударе ножка будет двигаться вперед и назад по гораздо большей дуге. Согласно тому, как и должны проявлять себя простые гармонические колебания, эти два движения будут иметь одинаковый период, несмотря на разницу в амплитуде, иначе говоря, одинаковое количество сжатий и разрежений в одну секунду. То есть частота произведенного звука в любом случае будет той же самой.

Однако тот камертон, который мы ударили более сильно, по мере перемещения по большей дуге сжимает воздух более активно и сильно. Поэтому более громкая нота отличается от более тихой ноты тем, что сжимаемые объемы в первой — более сжаты, а разрежаемые объемы — более разреженны. Разница в степени сжатия в продольной волне аналогична разнице в амплитуде в поперечной волне. Это можно легко визуализировать, если снова провести эксперимент с камертоном и прикрепленной к нему ручкой. Слабо вибрирующая ножка нарисует синусоиду маленькой амплитуды, а сильно вибрирующая, то есть двигающаяся по большей луге в результате более сильного удара, отметит синусоиду большей амплитуды.

Чтобы сжать воздух, преодолевая сопротивление его давления, потребуется затратить энергию. Таким образом, сжатый воздух является аккумулятором энергии, то есть может запасать некоторое количество энергии, которую он может израсходовать, расширяясь и толкая все, что находится в непосредственной близости от него. По этой причине звуковые волны могут рассматриваться как форма энергии.

Чем сильнее сжат воздух, тем больше количество энергии, которую он содержит и может израсходовать. Если подойти к данному вопросу с другой стороны, то можно сказать, что вибрирующий камертон обладает кинетической энергией, которая тратится на сжатие воздуха [50] Камертон или любое другое воспроизводящее звук устройство также разрежает воздух, действуя против его собственного давления, что также требует затрат энергии. Аргументы при рассмотрении этого аспекта абсолютно аналогичны тем, которые мы используем при рассмотрении сжатия. . Если ножка камертона колеблется по большей дуге, но период ее колебаний заканчивается в одно и то же время, что и у ножки, двигающейся по меньшей дуге, то это означает, что она перемещается с большей средней скоростью и обладает большим количеством кинетической энергии, которую она может израсходовать на сжатие воздуха. Независимо от точки зрения, с которой мы подходим к данному вопросу, мы можем прийти к выводу, что громкость — вопрос количества энергии и что громкий звук содержит большее количество энергии, чем тихий.